【《生物滞留系统研究的国内外文献综述》4800字】

生物滞留系统研究的国内外文献综述1.1生物滞留池概述低影响开发（LowImpactDevelopment,LID）最早起源于20世纪90年代末期，是由美国东部马里兰州的普润斯乔治县和西北地区的波兰特、西雅图市共同提出的一种新型雨水管理技术。与传统雨洪调控措施不同，LID旨从源头上对地表径流实施调控，通过入渗、过滤、蒸发等方式最大程度模拟自然水文条件，从而达到削减径流流量、降低径流污染负荷等目的（Coffmanetal.,2020）。生物滞留池（Bioretention），亦被称为雨水花园（RainGarden）或是生物入渗池（Bio-infiltration），是低影响开发中常见的雨水控制设施。生物滞留池通过在低于路面的低洼区域合理布设工程土壤与科学种植功能植株，构建土壤基质-植物-微生物共同作用的复合型原位绿色基础设施，实现对地表径流水文水质的调节效应（见图1.1）。a)生物滞留池结构示意图b)生物滞留池实景图图1.1生物滞留池的结构示意图和实景图Fig1.1Structurediagramandrealviewofbioretention现代生物滞留池通常被认为起源于20世纪90年代的美国，凭借其对地表径流显著的削减效应和对径流污染物的控制效果，在美国、欧洲等地区得到了进一步推广（Liuetal.,2014）。国外的早期研究多集中在生物滞留池的结构改进、功能评估和运行维护等内容，证实其具备良好的水文调节效应，在削减径流总量、延迟峰现时间等方面表现卓越，但同时存在水质净化效果方面的不稳定性（Roy-Poirieretal.,2010;Hattetal.,2009）。我国于21世纪初开展对生物滞留池的系统研究，2010年后通过模型应用、模拟试验和实地监测等研究逐步填补国内在该领域的研究空白（李芬芬，2021年）。随着2015年我国海绵城市试点工程项目的启动，生物滞留池在国内得到了更大规模的推广。常见的生物滞留池结构如图1（a）所示。其中，植被层应采用多年生本地草本植株，对水涝和干旱具备较好的耐受性，常见生物滞留池植被种类有美人蕉、芦苇和狼尾草等（袁瑜蔓，2018），较高的种植密度能有效延长生物处理设施的生命周期（Archer，2002）。种植土壤层为植物根系提供生长空间和养料补给，其中分布的根系为微生物提供附着场所，也可有效防止土壤孔隙塞堵。应多选用与植株适应性良好的本地土壤，在维护阶段需要注意防范雨水淤堵现象；填料层参考多采用天然沙壤土，实现对地表径流中污染物质的物理化学吸附作用，同时也是微生物生长和活跃的主要场所。可以在填料层中添加蛭石、石灰石、粉煤灰等土壤介质提高系统对污染物质的吸附能力；砾石层多由粒径不超过50mm的砾石或碎石块组成，在系统中起到承重与蓄水的作用（徐萍，2015）。生物滞留池兼具水文控制和水质净化的功效，在有效削减地表径流总量和峰值流量的同时，也表现出对地表径流污染物质优良的处理效果（Bleckenetal.,2009）。Huntetal.(2016)在美国北卡罗来纳州的三个生物滞留池中进行了水文性能和污染物去除效果的研究，发现径流总量削减了78%，TP和重金属分别减少了65%和85%；Brownetal.(2011)在洛矶山脉和纳什维尔市分别监测了两组生物滞留池，其径流削减率达到50%~90%，TSS的去除率高达92%。据统计，生物滞留池对总悬浮颗粒物的去除范围在55%~100%，对TP的去除范围在31%~100%，对Cu、Pb、Zn等金属的去除范围分别是65%~99%、32%~100%、60%~99%，但其对氮素污染污染物的去除率存在较大波动，特别是对NO3--N的去除效果不甚显著（刘文，2015年）。1.2生物滞留池氮去除效率生物滞留池中氮去除的途径主要有三条：土壤介质的物理化学吸附作用；植物的吸收与同化作用；微生物的脱氮作用。与其他径流污染物的削减能力相比，生物滞留池对地表径流中氮素污染的去除效果不稳定（Morseetal.,2017）。Huntetal.(2008)在美国北卡罗来纳州的夏洛特市对城市环境中的生物保留池进行了水质监测调查，结果显示NH4+-N浓度降低了70.6%，但是NO3--N浓度反而提高4.8%；Readetal.(2008)在澳大利亚针对20个生物滞留系统研究其径流污染物的去除效果，发现其处理后的雨水径流中的TN和总凯氏氮（TotalKjeldahlNitrogen,TNK）浓度竟高过输入雨水；Lietal.(2016)搭建生物滞留池实验柱，通过模拟实验发现其对NH4+-N的去除率可以达到70%，但是TN的去除效果仅为10%~15%；Lietal.(2014)通过16次人工降雨事件模拟生物滞留池对地表径流氮素污染物的去除过程，发现NH4+-N和TN的去除率分别是89%和41%，但是DON和NO3--N却在出流中大量浸出。总体而言，生物滞留池在模拟实验和现场监测中对地表径流中的NH4+-N表现出较好且相对稳定的去除效果，这可能是因为生物滞留池的土壤介质多为带负电的沙壤土，容易吸附地表径流中呈阳性的NH4+，同时土质渗透性能良好，土壤环境常处于好氧状态，有利于氨氧化微生物的硝化作用；但是对NO3--N的去除效果较差，甚至会出现淋溶现象，这可能是因为土壤会对同样带负电的NO3-发生排斥不容易吸附，同时难以形成缺氧环境，不利于反硝化菌群的微生物活动。NO3--N的去除效果不稳定也间接影响了生物滞留池对TN的去除效果，导致其对TN的去除率同样存在大幅波动（周龙，2020）。传统生物滞留池氮去除能力波动也被认为与其填料组成和系统结构有关。生物滞留池内部碳源含量较低，常存在反硝化碳源不足的情况：万哲希等（2019年）在长期稳定运行的生物滞留池填料中加入5%木屑，发现其TN和NO3--N的去除率均高于其他不掺混木屑的系统；赵倩等（2019年）在传统填料中掺混一定比例的生物炭，实验结果表明，生物滞留池TN和NO3--N的去除效果均提升10%以上。同时，结构中含有淹没层的生物滞留池往往表现出对TN和NO3--N更高的去除率：Dietzetal.(2006)通过在生物滞留池内是否设置淹没层实施对照试验，发现设置有淹没层的系统其TN去除率提高了18%；仇付国等（2017）在生物滞留池内分别设置200mm与600mm高度的淹没层，结果表明600mm的淹没层对NO3--N的去除效果更好。这是因为淹没层在生物滞留池内部形成了缺氧或厌氧环境，有效促进了反硝化作用的发生。综上所述，生物滞留池内氮去除效果存在波动的原因与系统内微生物的硝化作用与反硝化作用密切相关。通过添加碳源填料和设置系统淹没层只是从工程实践的层面提高氮去除效果，深入研究系统内微生物脱氮作用的效率及其影响因素，完善生物滞留池氮去除机制，从理论层面指导生物滞留池的设计改进与运行维护，才能在根本上规避系统氮去除效果不稳定的问题。1.3生物滞留池微生物脱氮作用在地球生物化学氮循环过程中，微生物氮转化作用涉及固氮、矿化、同化、硝化、反硝化、厌氧氨氧化（AnaerobicAmmoniumOxidation,Anammox）和硝酸盐异化还原为铵（DissimilatoryNitrateReductiontoAmmonium,DNRA）等作用（曾巾，2007）（见图1.2）。图1.2地球生物化学氮循环中的微生物作用Fig1.2MicrobialreactioninGeochemicalnitrogencycle微生物脱氮作用是生物滞留池中控制径流氮素污染物的重要机制，也被认为是唯一的永久脱氮途径。之前的研究认为，生物滞留池内的脱氮作用涉及固氮、矿化、硝化、反硝化等过程，可能存在厌氧氨氧化和异化还原为铵等作用。（见图1.3）其中硝化作用和反硝化作用被视作为该系统内部核心的脱氮反应。其中，硝化作用是指NH4+-N转化为NO3--N的过程，主要由两个步骤组成：1)NH4+-N氧化为NO2--N的氨氧化过程，主要由amoA功能基因编码的AMO酶催化进行（贺纪正，2013），执行此过程的微生物被称为氨氧化微生物（AmmoniaOxidizingMicroorganisms,AOM）;2)NO2--N进一步氧化为NO3--N的亚硝酸盐氧化过程，主要由nxrA功能基因编码的NXR酶催化进行，执行此过程的微生物是亚硝酸盐氧化细菌（Nitriteoxidizingbacteria,NOB）。反硝化作用是指NO3--N经过逐步还原反应最终转化为N2的永久脱氮作用，其反应过程比较复杂，大致可分为四个步骤：1）NO3--N还原为NO2--N的硝酸盐还原过程，常见的硝酸盐还原酶有两种，一种是在厌氧环境下优先表达的膜质硝酸盐还原酶NAR，由narG功能基因编码；另一种是在有氧条件下优先表达的周质硝酸盐还原酶NAP，由napA功能基因编码（Fengetal.2017）；2）NO2--N还原为NO的亚硝酸盐还原过程，常见的亚硝酸盐还原酶有两种，一种为nirK基因编码的cdl型亚硝酸盐还原酶，另一种是nirS基因编码的Cu型亚硝酸盐还原酶，两者的结构不同但功能类似（孙未，2017）；3）NO还原为N2O的过程，主要由norB功能基因编码执行；4）N2O最终还原为N2的过程，目前常见的氧化亚氮还原酶编码基因仅有nosZ一种，是研究系统完整反硝化过程的常见标记基因（郑燕，2012）。图1.3生物滞留池中氮转化过程（李笑玥，2021）Fig1.3Nitrogenconversionprocessinbioretention(Lietal.,2021)1.3生物滞留池中微生物的研究现状生物滞留池微生物脱氮作用的研究起步较晚，最近十年才开始有学者对生物滞留池内氮转化微生物的种类、数量、群落结构及其动态变化开展调查与试验（Payneetal.2014）。定量描述硝化和反硝化微生物的丰度可以有效反映微生物脱氮作用在生物滞留池系统内的作用强度（Waller。2018）。现阶段用于生物滞留池内微生物脱氮作用研究的技术手段主要有：1）16SrRNA基因高通量测序，常用于分子生物学中细菌种属鉴定与系统发育分析研究，可以调查生物滞留池内微生物群落的物种构成和丰度信息（Chakravortyetal.,2007）；2）实时荧光定量聚合酶链反应（Real-timeQuantitativePolymeraseChainReaction,qPCR），可以对标记基因进行绝对定量检测，识别生物滞留池内微生物脱氮作用中关键路径编码基因的丰度（Waller，2018）。两种技术手段常综合使用，用以探明生物滞留池内氮转化功能微生物的群落特征。Chenetal.(2013)使用16SrRNA基因高通量测序与实时荧光定量PCR技术，研究了渗透率低和排水时间较长的生物滞留系统中氮转化微生物的脱氮作用，发现16SrRNA、硝化基因（amoA）和反硝化基因（nirS，nirK，norB和nosZ）随系统土壤深度的增加而减少，反硝化基因丰度与平均淹没时间呈正相关，土壤介质和有机碳含量都会影响系统中的反硝化程度；Wanetal.(2017)评估了分层生物滞留系统表面木屑对系统反硝化过程的促进作用，结果表明掺混木屑明显增加了反硝化基因（narG，nirK和nirS）的丰度；Willardetal.(2017)针对长期稳定运行的生物滞留系统实施分层采样与分析生物学检测，发现系统上层缺氧区域中的反硝化菌群数量更多，而底层由于碳源缺乏可能会限制微生物的大量生长；Walleretal.(2018)分析了横跨大西洋中部三个州的23种不同设计的生物滞留池中的反硝化功能基因丰度（nirK和nosZ），发现系统的设计因素将对反硝化基因丰度产生显著影响，同时基因丰度与介质中有机碳和无机氮的浓度呈正相关，且系统表层的反硝化基因丰度高过底层；Morseetal.（2018）在种植有不同植物的生物滞留系统模拟实验柱中研究了氮转化微生物的群落和功能基因丰度，推测反硝化功能菌群与植物存在耦合或竞争的关系，根系发达的植株可能抑制反硝化微生物的生长并降低系统的反硝化速率；Zuoetal.(2019)在生物滞留池中种植三种不同水生植物，发现植物种类显著影响了土壤介质中Ramlibacter属和Nitrosomonadaceaea属微生物的数量，进而造成系统氮去除效果差异明显；李笑玥等（2021）调查了中国深圳市8个典型生物滞留池中总细菌的多样性与菌门水平分布，结果显示不同生物滞留池中硝化和反硝化功能基因的丰度存在较大差异。整体而言，与系统内部的土壤介质和植物研究相比，生物滞留池内氮转化微生物及其功能基因的研究较少；针对反硝化功能菌群的研究较多，但是硝化作用作为氮转化过程的关键前置步骤，其受到的关注度仍然缺失；生物滞留池内部微生物结构极易受到干湿交替影响而表现出不同的功能特征，但目前仅有少数研究关注其降雨周期内的动态变化规律（李笑玥等，2020；Chenetal.,2013）。参考文献AllemanJE.Elevatednitriteoccurrenceinbiologicalwastewatertreatmentsystems[J].Waterscienceandtechnology:ajournaloftheInternationalAssociationonWaterPollutionResearch,1985,17:409-419.AnnavajhalaM,KapoorV,SantoDomingoJW,etal.ComammoxFunctionalityIdentifiedinDiverseEngineeredBiologicalWastewaterTreatmentSystems[J].EnvironmentalScience&TechnologyLetters,2018:acs.estlett.7b00577.Archer,N.A.L.,Quinton,J.N.,&Hess,T.M..2002.Below-groundrelationshipsofsoiltexture,roots,andhydraulicconductivityintwo-phasemosaicvegetationinsouth-eastspain.JournalofAridEnvironments,52(4),535-553.BartelmeRP，McLellanSL，NewtonRJ．Freshwaterrecirculatingaquaculturesystemoperationsdrivebiofilterbacterialcommunityshiftsaroundastablenitrifyingconsortiumofammonia-oxidizingarchaeaandcomammoxNitrospira．FrontiersinMicrobiology，2017，8:101，doi:10．3389/fmicb．2017．00101Beman,J,Michael,etal.DiversityofAmmonia-OxidizingArchaeaandBacteriaintheSedimentsofaHypernutrifiedSubtropicalEstuary:BahíadelTóbari,Mexico.[J].Applied&EnvironmentalMicrobiology,2006,72(12):7767-7777.BleckenGT,ZingerY,DeleticA,etal.Influenceofintermittentwettinganddryingconditionsonheavymetalremovalbystormwaterbiofilters[J].WaterResearch,2009,43(18):4590-4598.BrownRA.EvaluationofBioretentionHydrologyandPollutantRemovalintheUpperCoastalPlainofNorthCarolinawithDevelopmentofaBioretentionModelingApplicationinDRAINMOD.[D].NorthCarolinaStateUniversity.2011.C,FanWangAB,etal."Estimatingnitrogenfatesandgrosstransformationsinbioretentionsystemswithapplicationsof15Nlabelingmethods."

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