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沉积物氮释放是导致水体氮污染的主要“内源”。当外源污染负荷得到有效控制后,内源成为水体污染的主要来源。削减环境水体内源氮污染负荷的根本途径是通过硝化反硝化作用将沉积物中释放的氮源以N2的形式从体系中脱除。目前,由于我国城市尤其是一些老城区污水收集还难以达到较高收集率,河道接纳城市污水使得沉积物常常处于高氮负荷状态,成为城市河道的内污染源。本论文以城市河道为研究对象,在氮循环功能基因原位鉴定以及丰度分析的基础上,辨识城市河道氮循环主导过程及其主要环境影响因子,研发以生境环境因子调控为核心的沉积物氮污染原位修复技术。主要结论如下:(1)城市河道氮赋存特征与氮循环的主导过程研究区域南京、苏州等城市河道上覆水TN、NH4+和NO3-的含量范围分别为2.57 mg-L-1～10.30 mg·L-1、0.36 mg·L-1～10.04 mg·L-1、0.47 mg-L-1～3.02 mg·L-1,氨氮为主要赋存形态;孔隙水中NH4+、NO3-含量范围分别为0.73 mg·L-1～63.00 mg·L-1、0.25 mg·L-1～0.98 mg·L-1,其氨氮浓度远高于上覆水,浓度差为16.48 mg·L-1～61.90 mg·L-1;沉积物中 TN、NH4+、NO3-含量范围为 642.71～2688.54 mg·kg-1,33.60～327.60 mg·kg-1,7.7.70～25.90 mg·kg-1,氨氮浓度高于硝酸盐,并以有机氮为主要赋存形态。应用荧光定量PCR技术对沉积物氮转化功能基因(amoA、hzsB、hzo、nirS、nirK、norB、nosZ、nrfA)进行定量分析。结果表明,所有沉积物样品中,好氧氨氧化细菌amoA基因、氨氧化古菌amoA基因以及厌氧氨氧化菌hzo基因同时存在,其丰度范围分别为 6.45 × 104～1.08×106 copies·g-1、1.73×105～7.41×106 copie·sg-1、7.17×104～5.03×105 copies·g-1。其中,氨氧化古菌的amoA基因丰度最高。参与反硝化的nirS,nirK和nrfA基因同时存在,其丰度范围分别为1.04×107～2.32×107 copies·g-1,9.43×106～6.66×107 copies·g-1,1.14×1 07～1.76×107 copiesf1。其中,nirK基因丰度最高。以上功能基因的鉴定,说明在沉积物环境中,氮循环过程主要为硝化-反硝化过程。所有监测样品中,氨氧化相关基因与反硝化基因的比值(AOA-amoA+AOB-amoA)/(nirS+nirK+nrfA)<0.09,表明反硝化作用潜力大于硝化作用,氨氧化过程是限制氮循环速率的关键环节;(nirS+nirK)/nrfA的比值范围为2.52～3.94,表明尽管有硝酸盐异化还原过程的存在,但反硝化作用是NO3-的主要去除途径;norB/nosZ(产N2O酶/N2O还原酶)的比值为6.23～32.84,表明反硝化产物中有较高的N2O。相关性分析表明,随着孔隙水NH4+、沉积物NH4+和TN等反应底物含量的增加,氨氧化古菌AOA-amoA基因、反硝化nirS基因、nosZ基因丰度增长。氨氧化限制和DNRA作用是沉积物环境氨氮累积的主要原因。(2)环境因子对氮循环过程的影响机制Pearson相关性分析表明,上覆水DO、TOC、SO42-、孔隙水SO42-和沉积物S2-是影响氮转化功能基因丰度的主要环境因子。其中,影响氨氧化过程功能基因丰度的主要环境因子是DO和孔隙水SO42-。本研究设置4个溶解氧水平条件(厌氧,DO<0.5 mg.L-1;好氧,2mg.L-1<DO<4 mg·L-1;富氧,DO>8 mg·L-1;室内自然条件(0.05mg·L-1<DO<5.76 mg·L-1)),重点研究溶解氧水平对氮转化的影响机制。结果表明,溶解氧水平越高,系统中总无机氮脱除速率越快,脱氮量越高,脱氮率从12.96%上升至99.84%。溶解氧水平增加,促进氨氧化古菌和氨氧化细菌数量级的增长,提高了氨氧化过程速率,使NH4+的累积氧化量从3.34 mg N提升至21.61 mg N。氨氧化过程速率提高,系统中NO2-和NO3-水平升高,反硝化nirK和nirS基因丰度提高了 1个数量级,总脱氮量(N2)从6.12 mg N上升至35.44 mg N。根据试验反应系统观测数据,建立了氮转化速率与相关功能基因丰度及反应物浓度的回归方程。其中:氨氧化速率,R2=-3.2802+0.0009log(AOA-amoA)-0.00647log(AOB-amoA)+0.2345log(nirS)+0.1546log(nirK);反硝化速率,R4=-0.2425+0.0698NO3--0.0079log(nirS)+0.0428log(nirK);厌氧氨氧化速率,R5=-5.0817-0.215 1 NO3-+0.03601og(AOA-amoA)-0.0015log(AOB-amoA)+0.4058log(nirS)+0.2468log(nirK);以上,线性相关性(r2)分别为0.5128,0.6811,0.6709。(3)城市河道沉积物氮污染物原位修复技术构建及工程示范在上述城市河道氮污染及其氮循环机制研究的基础上,针对城市水系闸控滞流、内源负荷累积、氨氮超标等特征问题,利用具有释氧、吸附的双固定化功能材料,以河道底质良性生境构建、定向强化净化为目的,构建了污染底质原位生态固化-覆盖联合修复技术。室内小试结果表明,加入缓释氧材料,沉积物与水界面上的溶解氧含量显著提升,amoA基因丰度提高了 1～2个数量级;添加吸附材料,能够有效抑制沉积物中氨氮向上覆水释放。选择释氧和吸附功能材料配比1:10、覆盖厚度2cm,在南京市秦淮河中段实施沉积物氮污染原位修复与控制示范,示范现场修复河道200米。六个月的监测结果表明,与对照区相比,修复区沉积物amoA基因丰度由 2.0～4.0×107 copies·g-1 提高至 4.24×108～7.63×108 copies·g-1;孔隙水氨氮、沉积物有机质含量显著低于对照点,其平均削减率分别为61.3%和45.5%。