裘 湛

(上海城投污水處理有限公司，上海 201203)

1 人工濕地技術(shù)工藝原理

人工濕地技術(shù)是以自然濕地為基礎(chǔ)建造的，由基質(zhì)、植物和微生物組成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)污水在濕地床中的流動(dòng)形式，人工濕地可分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直流人工濕地等[1]。作為一種生態(tài)處理技術(shù)，與傳統(tǒng)的物理方法和化學(xué)方法相比，人工濕地技術(shù)具有投資低、運(yùn)行費(fèi)用少和運(yùn)行耗能低的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，人工濕地技術(shù)已經(jīng)被廣泛用來(lái)處理城市生活污水、工業(yè)廢水、城市暴雨徑流、富營(yíng)養(yǎng)化湖泊等水體，并取得了良好的效果[2]。

人工濕地通過(guò)基質(zhì)、植物、微生物三者之間一系列的物理、化學(xué)和生物作用實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)元素、重金屬等污染物的去除[3]。其中，微生物的代謝作用在污水中有機(jī)污染物的降解以及氮磷的去除中發(fā)揮了重要作用。在人工濕地根際微生物的作用下，污染物最終被降解、轉(zhuǎn)化為水生植物及微生物可以吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或釋放到環(huán)境中[2]。在此過(guò)程中，異養(yǎng)細(xì)菌通過(guò)分解有機(jī)物為更高級(jí)的消費(fèi)者提供能源，從而推動(dòng)整個(gè)復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。同時(shí)，人工濕地的植物也為異氧微生物代謝作用的發(fā)揮提供了必要的營(yíng)養(yǎng)與能量[4-5]。

2 人工濕地植物的主要作用

人工濕地植物在人工濕地系統(tǒng)中的作用主要包含三個(gè)方面。其一，濕地植物在系統(tǒng)中起到固定床體表面、過(guò)濾截留污水中的懸浮物、防止淤泥堵塞、冬季運(yùn)行時(shí)支撐冰面等作用；其二，濕地植物能夠從待處理污水中吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作為自身生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)源[3]；最為重要的是，人工濕地植物根系的泌氧能力和分泌物能力，會(huì)對(duì)系統(tǒng)微生物活性、種群多樣性以及功能產(chǎn)生顯著影響。

常用于人工濕地系統(tǒng)的挺水植物主要有蘆葦(Phragmitesaustralis)、虉草(Phalarisarundinacea)、菖蒲(Acoruscalamus)、香蒲(Typhaorientalis)、美人蕉(Cannaindica)、水蔥(Scirpustabernaemontani)等[4-5]，而濕地系統(tǒng)中的主要微生物以細(xì)菌為主，放線菌次之，真菌較少[6]。張甲耀等[7]研究不同植物構(gòu)成的潛流型人工濕地處理系統(tǒng)的凈化能力及其異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量，發(fā)現(xiàn)在蘆葦濕地中有假單胞菌屬、無(wú)色桿菌屬、不動(dòng)桿菌屬、黃桿菌屬、黃單胞菌草屬、短桿菌屬、節(jié)桿菌屬、芽孢桿菌屬、分枝桿菌屬、葡萄球菌屬和微球菌屬等，假單胞菌屬、無(wú)色桿菌屬和不動(dòng)桿菌屬細(xì)菌是優(yōu)勢(shì)菌。諸多研究證實(shí)栽種植物的人工濕地其基質(zhì)上的細(xì)菌數(shù)量比未栽種的高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[8-9]。種植不同植物的人工濕地，對(duì)污染物的處理效果有較大差異，例如栽種蘆葦、虉草、香蒲等植物的人工濕地脫氮效果相對(duì)較好，脫氮效率通常在50%～90%[8]。研究者們推測(cè)這主要與不同植物的根系泌氧能力和根系分泌物的作用有關(guān)[10]，分析原因可能是栽種人工濕地植物提高了系統(tǒng)微生物種群多樣性，使系統(tǒng)內(nèi)部存在共生、互利、共存、競(jìng)爭(zhēng)等各種復(fù)雜的關(guān)系，在物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，從而影響了對(duì)污染物的去除效果。

3 人工濕地植物的根際效應(yīng)

3.1 泌氧能力

植物根系泌氧是指濕地植物通過(guò)光合作用和大氣吸收的氧氣從根系直接釋放到外界環(huán)境中。根據(jù)德國(guó)學(xué)者Kickuth的根區(qū)法理論，濕地挺水植物對(duì)氧氣具有輸送、釋放、擴(kuò)散作用，能夠?qū)⒖諝庵械难蹀D(zhuǎn)運(yùn)到根部，再經(jīng)過(guò)植物根部的擴(kuò)散，在植物根須周圍環(huán)境中依次出現(xiàn)好氧區(qū)、兼氧區(qū)和厭氧區(qū)，從而使人工濕地的填料和植物的表面存在大量的厭氧、好氧和兼性菌群[11]。研究發(fā)現(xiàn)水生植物的泌氧速率遠(yuǎn)比空氣中氧氣向人工濕地液面擴(kuò)散的速率大，因此濕地植物的泌氧功能對(duì)人工濕地降解污染物耗氧的補(bǔ)充量遠(yuǎn)大于由空氣擴(kuò)散所得氧量。

濕地植物的根系泌氧能力受到多種因素影響，如濕地植物根系特點(diǎn)、光照條件、基質(zhì)特性等。不同濕地植物根系的通氣組織構(gòu)造有所差異，其根孔隙率也有所不同[12]，導(dǎo)致植物對(duì)氧的輸送、釋放的能力不同。蘆葦、菖蒲、風(fēng)車草等常見(jiàn)的濕地植物的根具有纖維狀的多孔結(jié)構(gòu)，根孔隙率分別為40%、26%和32%[13]，輸氧泌氧能力也相對(duì)較強(qiáng)。Li等[14]比較了黃菖蒲、燈心草、美人蕉等6種濕地植物，發(fā)現(xiàn)黃菖蒲的根系扎根較深，泌氧能力位列中等，但表現(xiàn)出對(duì)水體中總氮最好的凈化效果。此外，濕地植物的泌氧能力還與光照強(qiáng)度有關(guān)，原因在于光照能夠促進(jìn)濕地植物的光合作用以及加快植物體與外界環(huán)境的氣體交換速度，一般情況下植物光合作用速率最高時(shí)，植物泌氧速率最快。濕地基質(zhì)作為根系泌氧的氣體傳輸介質(zhì)，其孔隙率、還原物質(zhì)含量、重金屬含量等也會(huì)影響根系泌氧速率。

3.2 根系分泌物

植物根系分泌物是指在一定生長(zhǎng)條件下未被擾動(dòng)的根釋放到根際區(qū)域中的無(wú)機(jī)離子或小分子有機(jī)物的總稱[15]。根系分泌物的主要組成物質(zhì)為糖、氨基酸、有機(jī)酸、甾類化合物和微量的生長(zhǎng)物質(zhì)等。植物根系分泌物的量和組成因植物種類而各異，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的根系分泌物多達(dá)200種以上。這些根系分泌物以及細(xì)根的腐解為土壤補(bǔ)充了有機(jī)物，是刺激根際微生物繁殖的重要能源和養(yǎng)分源，對(duì)微生物的代謝及生產(chǎn)發(fā)育產(chǎn)生一定的影響，從而強(qiáng)化微生物礦化有機(jī)污染的速度[16]。

植物根系分泌物的分泌過(guò)程主要受植物種類、環(huán)境因素等的影響。不同種類濕地植物所釋放的根系分泌物存在較大差異[17]。Zhai等[18]發(fā)現(xiàn)黃菖蒲的根系分泌物釋放率顯著高于蘆葦和燈心草，當(dāng)碳源有限時(shí)，植物根系分泌物可作為補(bǔ)充碳源供給反硝化等反應(yīng)的進(jìn)行。唐利等[19]發(fā)現(xiàn)蘆葦根系分泌物中糖 ∶蛋白質(zhì) ∶氨基酸=4.3∶6∶8，而對(duì)于香蒲來(lái)說(shuō)，其相應(yīng)的比例為8∶4∶11,說(shuō)明不同植物的根系分泌物存在物質(zhì)組成比例的差異[19]。植物根系分泌物的釋放一方面會(huì)影響微生物種群結(jié)構(gòu)，另一方面會(huì)通過(guò)微生物生命活動(dòng)間接影響其向外界環(huán)境的分泌[20]。Al-Baldawi等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在人工濕地中注入根際細(xì)菌(Bacillusaquimaris、Bacillusanthracis和Bacilluscereus)能夠減緩石油烴類化合物對(duì)植物生長(zhǎng)的壓力，從而促進(jìn)人工濕地植物藨草的生長(zhǎng)，進(jìn)而提高石油烴的降解效果。

4 濕地植物根際效應(yīng)對(duì)根系微生物的影響

4.1 根際微生物的研究方法

基于人工濕地微生物在污染物降解過(guò)程中的重要作用，近年來(lái)人們開(kāi)始關(guān)注人工濕地系統(tǒng)中根際微生物的數(shù)量、活性、功能與結(jié)構(gòu)等[22]。其中，人工濕地根際微生物數(shù)量和活性作為評(píng)價(jià)污染物去除效率的參考指標(biāo)最為常用，而微生物的活性特征和群落結(jié)構(gòu)是根際微生物研究的熱點(diǎn)[20-23]。微生物的數(shù)量可以采用傳統(tǒng)平板培養(yǎng)計(jì)數(shù)法、染色法、流式細(xì)胞儀等；微生物的活性可以根據(jù)目標(biāo)要求測(cè)試相應(yīng)的酶活性變化，如硝化反硝化強(qiáng)度測(cè)試、氧氣利用速率、二氧化碳生成速率以及氨基酸同化效率等；微生物的功能研究包括熒光原位雜交技術(shù)(FISH)、定量PCR、蛋白質(zhì)組學(xué)等；微生物的代謝特征可以采用BIOLOG微平板法來(lái)分析微生物對(duì)不同種類碳源的利用情況；微生物種群結(jié)構(gòu)的研究近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)，特別是近年來(lái)發(fā)展迅速的分子生物學(xué)法為種群多樣性的分析提供了技術(shù)基礎(chǔ)[24]。

目前，用于研究微生物種群結(jié)構(gòu)的分子生物學(xué)技術(shù)主要包括微生物磷脂脂肪酸分析(FAME/PLFA)、變性梯度凝膠電泳(DGGE/TGGE/TTGE)、454 焦磷酸測(cè)序、Illumina Miseq等[20]。但DGGE等分子指紋圖譜技術(shù)，只能反映樣品中少數(shù)優(yōu)勢(shì)菌的信息，無(wú)法對(duì)樣品中的微生物做到絕對(duì)定量。近年來(lái)第二代高通量測(cè)序技術(shù)得到迅速的發(fā)展，可以同時(shí)對(duì)樣品中的優(yōu)勢(shì)物種、稀有物種和一些未知的物種進(jìn)行檢測(cè)，獲得樣品中的微生物群落組成，并將其含量進(jìn)行數(shù)字化，其憑借低成本、高通量、流程自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)為研究微生物群落結(jié)構(gòu)提供了新的技術(shù)平臺(tái)[25]。在進(jìn)行根際微生物的研究工作中，建議結(jié)合研究目標(biāo)和實(shí)際情況選擇相應(yīng)方法進(jìn)行組合應(yīng)用。

4.2 濕地植物對(duì)微生物活性及降解性能的影響

濕地植物的根際效應(yīng)為人工濕地微生物的生長(zhǎng)提供了必要的營(yíng)養(yǎng)與能量。與未種植植物的濕地系統(tǒng)相比，種植植物的濕地系統(tǒng)其微生物數(shù)量、種類及氧化還原勢(shì)有很大差別。大多數(shù)水生植物的根系主要集中在0～20 cm的基質(zhì)區(qū)域，在這一區(qū)域內(nèi)微生物數(shù)量隨著深度的增加而減小。不同類型和功能的微生物群落分布也與根系區(qū)域緊密相關(guān)。不同種類水生植物會(huì)影響其根際微生物數(shù)量和活性，例如香蒲根際微生物的數(shù)量大于蘆葦[19]；氣溫對(duì)植物的影響顯著，冬季低溫期間蘆葦根系仍然有一定活性，因此其根際效應(yīng)優(yōu)于扁稈藨草和茭白的活性，好氧菌保持較高比例[23]。

眾多研究表明，濕地植物根際效應(yīng)通過(guò)提高微生物的活性或數(shù)量，從而提高微生物對(duì)土壤環(huán)境中農(nóng)藥、多環(huán)芳烴化合物等有機(jī)污染、重金屬污染以及營(yíng)養(yǎng)元素等的降解去除效果，如表1所示。以有機(jī)氯農(nóng)藥為例，研究者發(fā)現(xiàn)添加蘇丹草(Sorghumsudanense)根系分泌物濃縮液，可以使根際土壤有機(jī)氯農(nóng)藥(包括DDT、HCB、狄氏劑等多種混合物)去除率高達(dá)79.21%，比對(duì)照組提高了36.43%[26]。采用盆栽根袋培養(yǎng)法栽種狼尾草(Pennisetum)培養(yǎng)28 d后，發(fā)現(xiàn)根際土壤的阿特拉津去除率為52.7%，顯著高于對(duì)照組(37.6%)，這與狼尾草根際效應(yīng)提高了土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量和活性有關(guān)[27]。對(duì)于土壤中多環(huán)芳烴的降解修復(fù)，同樣發(fā)現(xiàn)三葉草(Trifoliumrepens)根系分泌物的添加達(dá)到35.5 mg/L時(shí)，細(xì)菌加氧酶基因拷貝數(shù)明顯增加，從而促進(jìn)了微生物對(duì)芘和苯并芘的降解[28]。王燕等[29]進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，污染土壤中芘的根際降解存在距離根系不同遠(yuǎn)近的差異，種植黑麥草(LoliumperenneL.)后，芘降解的整體趨勢(shì)表現(xiàn)為近根層>根生長(zhǎng)層>遠(yuǎn)根層，這與土壤微生物量、脫氫酶活性以及多酚氧化酶活性等存在相關(guān)性。除有機(jī)物外，考察了復(fù)合垂直流人工濕地對(duì)無(wú)機(jī)含鎘廢水的處理(運(yùn)行時(shí)間為24 h，水力負(fù)荷為600 mm/d)，種植美人蕉-紅蛋(Cannaindica-Echinodorusosiris)的人工濕地系統(tǒng)優(yōu)于彩葉草-風(fēng)車草(Coleusbleumeibenth-Cyperusalternifolius)人工濕地系統(tǒng)，微生物數(shù)量和酶活性的垂直分布為0～5 cm>5～15 cm>15～20 cm[30]。在營(yíng)養(yǎng)元素的去除方面，Wu等[31]在人工濕地中(礫石為基質(zhì)，HRT=2 d)添加人工合成的低分子量根系分泌物，發(fā)現(xiàn)添加有機(jī)酸和溶解性糖可使總氮的去除率提高47.1%～58.67%。

表1 常見(jiàn)濕地植物根際效應(yīng)對(duì)污染物降解去除性能的影響

4.3 濕地植物對(duì)微生物種類及多樣性的影響

人工濕地工藝根際微生物的多樣性對(duì)復(fù)合型污染水體多種污染物的去除效果具有重要的影響。微生物的多樣性既包括細(xì)菌、真菌、放線菌等差異，又包括同一個(gè)菌群中不同菌屬的差異。江福英等[32]研究美人蕉、香蒲、垂穗莎草和玉帶草對(duì)根際微生物和非根際微生物的影響，發(fā)現(xiàn)根際和非根際間的細(xì)菌數(shù)量無(wú)明顯差異，而真菌與放線菌差異較顯著；香蒲根際硝化細(xì)菌數(shù)和反硝化菌數(shù)最多。針對(duì)微生物多樣性的研究，Biolog-Eco微平板法、PLFA、PCR-DGGE技術(shù)以及高通量測(cè)序技術(shù)應(yīng)用的較多。趙良元等[33]采用Biolog-Eco微平板法研究水生植物菖蒲的生長(zhǎng)對(duì)沉積物中微生物多樣性的影響，發(fā)現(xiàn)菖蒲根際微生物總活性(AWCD)、微生物多樣性指數(shù)(包括Shannon-Wiener 指數(shù)、豐富度指數(shù)及Pielou均勻度指數(shù))均顯著高于非根際沉積物。趙慶節(jié)[34]采用PCR-DGGE技術(shù)對(duì)五種人工濕地植物根際細(xì)菌多樣性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同植物根際土壤具有類似的DNA圖譜，聚類分析顯示根際土壤微生物具有很高的相似性。Zhu等[35]采用PLFA對(duì)六種不同種植方式的人工濕地根際微生物種群進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)具有顯著差異，分析原因可能是與真菌豐度有關(guān)。

不同濕地植物對(duì)微生物群落多樣性以及空間分布影響的程度不同。蘆葦是研究較多的人工濕地植物，武鈺坤等[36]對(duì)占地面積0.01 km2的人工濕地(處理水量為350 m3/d，150 mm種植土和200 mm粗砂)中不同植物根際效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)蘆葦(Phragmitesaustralis)根際具有最大的物種均勻性，根際與根區(qū)多樣性指數(shù)差別最大。陸松柳等[37]采用植物水培方式對(duì)植物根系分泌物(以溶解性有機(jī)物DOC來(lái)表示)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)千屈菜(LythrumsalicariaLinn)、茭白(Zizaniacaduciflora)、美人蕉(Cannaindica)的根系分泌物能力分別是1.29、0.59 mg/(g·d)和0.53 mg/(g·d)，采用3-D熒光光譜表征發(fā)現(xiàn)，茭白根系分泌物中可能存在某些占優(yōu)勢(shì)比例的有機(jī)物；根系分泌物的差異使得濕地后端微生物多樣性存在不同，從而影響了人工濕地處理能力。在復(fù)合垂直流人工濕地處理農(nóng)田退水研究中(HRT=3 d)，種植旱傘竹的上行池下層的陶粒和分子篩基質(zhì)的OUT(operation taxonomy unit)數(shù)目高于種植美人蕉[38]。因此，在人工濕地設(shè)計(jì)中，需結(jié)合人工濕地構(gòu)型合理選擇適宜性植物進(jìn)行種植，以增強(qiáng)根際微生物的多樣性。

5 結(jié)論

人工濕地技術(shù)作為一種生態(tài)處理技術(shù)具有投資低、耗能低以及運(yùn)行管理簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化人工濕地植物的根際效應(yīng)對(duì)于提高人工濕地微生物的活性和功能發(fā)揮起著重要作用。在人工濕地工藝研究中，采用多種方法揭示濕地植物泌氧能力與根系分泌物能力對(duì)微生物種群的影響具有十分重要研究意義；在人工濕地工藝設(shè)計(jì)中，通過(guò)合理配置人工濕地植物、優(yōu)化操作工藝來(lái)強(qiáng)化根際效應(yīng)，有助于提高人工濕地對(duì)污染物的去除效率。