研究简介:本研究针对黑臭水体缺氧导致S²⁻和H₂S持续释放这一核心问题，首次提出了沉水植物与载氧多孔材料耦合的生态修复策略。通过对五种多孔材料的筛选，研究发现尽管活性炭的氧吸附容量最高，但火山石凭借其中孔优势实现了最稳定的持续释氧，被确定为最佳载氧介质。在为期80天的微模拟实验中，采用“载氧火山石覆盖+苦草种植”的联合处理组表现出了显著的协同效应。该系统能将上覆水溶解氧稳定维持在约2.24 mg/L超过36天，有效缓解了极端环境对植物的胁迫，促进了苦草根系及叶片的生长。在控污效能方面，该组合彻底抑制了硫酸盐还原过程，使S²⁻和H₂S的累积释放量较对照组分别大幅降低90.95%和94.61%，同时显著削减了水体COD浓度。进一步的机制解析表明，这种高效的硫素调控源于系统的双重作用。一方面火山石释放的氧气及其对苦草生长的促进重塑了微环境；另一方面，这种环境变化重构了沉积物和植物叶际的微生物群落，表现为硫酸盐还原菌（如MSBL7和Polyangium）丰度显著降低，而硫氧化菌（如Bacillus和部分Rhizobiales）大量增殖，同时在功能基因层面上抑制了apsA、dsrA/B等还原基因的表达，上调了SoxY等氧化基因，从而从微生物代谢途径上切断了恶臭硫化物的产生。这项研究证实，载氧火山石与沉水植物的结合不仅能长效改善水体缺氧，还能通过生物—微生物互作实现硫污染的根源性控制，为黑臭水体的生态恢复提供了一种低成本、可持续的工程范式。


Unisense微电极系统的应用


Unisense微电极用于获取黑臭水体沉积物-水界面（SWI）处H₂S的高分辨率原位剖面数据，以揭示硫化物的微观迁移与释放机制。研究人员使用Unisense H₂S微电极垂直穿刺界面，从沉积物上方18 cm至下方5 cm的范围内，以毫米级精度逐点测定H₂S浓度分布。实验数据显示，在对照组中，H₂S主要富集于沉积物内部并向水体扩散，而在“载氧火山石+沉水植物”的联合处理组中，微电极监测到界面附近的H₂S浓度显著降低，证实了该策略能有效阻断沉积物内源硫化物的释放通道。通过提供这种微尺度的原位观测数据，Unisense微电极弥补了传统取样分析的不足，直观验证了载氧材料与植物协同作用对沉积物微环境的氧化改造效果，从而从微观层面有力支撑了“抑还原、促氧化”的硫代谢调控机制。


实验结论


研究探讨了一种有前景的策略，通过将沉水大型植物与富氧多孔材料相结合，实现黑臭水体中缺氧状况的可持续改善以及对二硫化硫（S2-）和硫化氢（H2S）释放的控制。在所测试的五种多孔材料中，富氧火山石因其适宜的中等孔隙结构，在提高溶解氧（DO）水平方面表现出最佳效果。通过用富氧火山石覆盖沉积物并培养沉水大型植物，该方法有效缓解了缺氧条件，降低了化学需氧量（COD）浓度，并促进了大型植物的生长。此外硫酸根离子（SO42-）的还原被完全抑制，而二硫化硫（S2-）和硫化氢（H2S）的释放则显著减少。与无氧对照组相比，富氧火山石与大型植物的组合不仅显著降低了与硫酸盐还原相关的属的丰度及相关基因的拷贝数，还刺激了与硫氧化相关的属的生长，并增强了硫氧化相关基因的表达。这些发现为黑臭水体中缺氧状况的可持续治理以及S2-和H2S释放的调控提供了科学依据，为改善水质和促进生态修复提供了可行的解决方案。

图1、(A) 五种多孔材料的氧气负载能力；(B) 在为期11天的实验中，使用不同氧气负载材料进行封盖时水中溶解氧浓度随时间的变化。STP表示标准温度和压力，即0℃和1 atm。

图2、80天期间上层水体中(A)溶解氧和(B)化学需氧量的变化。

图3、在80天处理期间，沉水大型植物的生理指标（2号和4号处理）。叶片长度、根长、叶绿素a含量、叶绿素b含量、MDA含量和SOD活性的变化情况。

图4、四种实验处理下，80天培养期间水中(A) SO42-、(B) S2-和(C) H2S浓度的时空动态变化；(D) 第80天SWI区域H2S浓度分布。

图5、80天培养期间（A）SO₄²⁻、（B）S₂⁻和（C）H₂S的累积通量。紫色、绿色、蓝色和红色线条分别对应含氧火山石与沉水大型植物处理组、含氧火山石处理组、沉水大型植物处理组以及对照组中硫化合物的累积通量。


结论与展望


黑臭水体中严重的缺氧条件会持续释放S²⁻和H₂S，严重威胁水生生态系统和公众健康，因此亟需有效的治理策略。本研究提出一种集成策略，通过将沉水大型植物与富氧多孔材料结合，实现对S²⁻和H₂S排放的可持续调控。筛选了五种多孔材料以确定最佳的氧气载体，并评估其作为基质时的富氧能力与释放性能。尽管活性炭具有优异的富氧能力，但火山石在维持高溶解氧（DO）水平方面效果显著更佳。在实验室规模模拟实验中，沉水大型植物与富氧火山石覆盖的集成系统，在36天以上保持约2.24 mg/L的稳定DO浓度，明显高于仅使用大型植物或仅使用富氧材料的处理方式。生理学评估表明，由火山石提供的氧气有效缓解了环境胁迫，从而促进了大型植物的生长。此外这种联合应用显著抑制了SO₄²⁻的还原反应，在80天培养期间，与对照组相比，S₂⁻释放量减少了90.95%，H₂S释放量减少了94.61%。值得注意的是，本研究从微生物群落和功能基因响应的角度，深入探讨了硫代谢的调控机制。该综合系统显著提高了沉积物和叶面生物膜中的细菌多样性。在与对照组相比，联合处理中特定硫酸盐还原菌的丰度显著下降，而某些硫氧化菌的种群则明显增加。此外与硫酸盐还原相关的功能基因受到抑制，而与硫氧化相关的基因则被上调。Unisense微电极在本论文中用于获取黑臭水体沉积物-水界面（SWI）处H₂S的高分辨率原位剖面数据，以揭示硫化物的微观迁移与释放机制。Unisense微电极弥补了传统取样分析的不足，直观验证了载氧材料与植物协同作用对沉积物微环境的氧化改造效果，从而从微观层面有力支撑了“抑还原、促氧化”的硫代谢调控机制。