王耀輝,曹玉成,周彥昕

沉水植物的濕地水質(zhì)凈化效率及其微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)水力負(fù)荷的響應(yīng)

王耀輝,曹玉成*,周彥昕

浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 浙江 杭州 311300

為探究不同水力負(fù)荷下沉水植物對(duì)水體污染物的凈化效率及其莖葉生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)的差異，本文構(gòu)建人工濕地，通過(guò)水泵-閥門(mén)-流量計(jì)系統(tǒng)精準(zhǔn)控制動(dòng)態(tài)水力負(fù)荷，研究沉水植物高莖苦草L.對(duì)模擬污水的凈化效率及微生物群落結(jié)構(gòu)差異對(duì)不同水力負(fù)荷的響應(yīng)。結(jié)果表明，水力負(fù)荷可對(duì)濕地系統(tǒng)的去污效果產(chǎn)生顯著性影響，其中144 cm/d效果最佳，該系統(tǒng)氨氮凈化效率可達(dá)86.9%，TP凈化效率可達(dá)77.8%，系統(tǒng)出水符合“地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)III類”水體要求。水力負(fù)荷可對(duì)濕地系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著性影響（＜0.05），隨水力負(fù)荷的增大，沉積物樣本中微生物群落相對(duì)豐度、多樣性以及OTU數(shù)量逐漸降低；葉片微生物群落相對(duì)豐度、多樣性以及OTU數(shù)量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。與沉積物微生物群落相比，同組內(nèi)葉片表面微生物群落中變形菌門(mén)Proteobacteria、假單胞菌屬的總豐度占比顯著性提高。

沉水植物; 水質(zhì)凈化; 微生物群落結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，隨著國(guó)家的監(jiān)管力度和群眾對(duì)于綠水青山呼聲的提高，點(diǎn)源污染逐步得到控制，而以農(nóng)田退水為代表的農(nóng)業(yè)面源污染正在逐步成為污染的主要貢獻(xiàn)者，人畜的飲水安全首當(dāng)其沖，甚至影響中國(guó)經(jīng)濟(jì)前景[1-3]。據(jù)《第二次全國(guó)污染普查公報(bào)》（2020）結(jié)果顯示，農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)全國(guó)地表水體污染負(fù)荷中總氮（TN）和總磷（TP）的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到47%和67%，其對(duì)素有“魚(yú)米之鄉(xiāng)”的太湖流域水體影響更甚，TN、TP的污染貢獻(xiàn)率更是高達(dá)76%和82%[4,5]。因其溯源性差、隱蔽性強(qiáng)、污染負(fù)荷在時(shí)空間變化幅度大等深層性特點(diǎn)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染未能引起公眾足夠的重視，治理難度也相應(yīng)陡然上升[6-9]。為此，尋找農(nóng)業(yè)面源污染的科學(xué)有效防治手段成為亟待解決的發(fā)展要求。

基于生態(tài)工程原理的生態(tài)溝渠、人工濕地等技術(shù)，可因地制宜地依附于農(nóng)村常見(jiàn)的農(nóng)田溝渠、泥塘等場(chǎng)所，從源頭提高其水質(zhì)凈化等功能[10,11]。因具有建設(shè)造價(jià)低廉、后續(xù)維護(hù)簡(jiǎn)易上手等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用物種共生、物質(zhì)循環(huán)原理，對(duì)于農(nóng)業(yè)面源污染處理效果穩(wěn)定、具有很高的耐沖擊負(fù)荷，促進(jìn)廢水污染物質(zhì)良性循環(huán)、再生，從而獲得污水處理資源化利用的最佳效益，近年來(lái)在脫氮除磷工程中獲得廣泛的研究和應(yīng)用[12-14]。而合理地設(shè)計(jì)水力條件，對(duì)于人工濕地工程的實(shí)際運(yùn)行和管理都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，有利于增強(qiáng)人工濕地的運(yùn)行穩(wěn)定性、縮短處理時(shí)間、節(jié)省工程占地面積[15,16]。

人工濕地中水生植物扮演著極其重要的作用，目前國(guó)內(nèi)外研究以及實(shí)際工程應(yīng)用主要以挺水植物型濕地為主流，沉水植物相關(guān)研究存在一定的空白。不同于挺水植物和漂浮植物，沉水植物位于水面下生長(zhǎng)，莖葉與水接觸最為密切，由其介導(dǎo)形成的微環(huán)境結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜[17,18]。近來(lái)年研究發(fā)現(xiàn)，沉水植物的莖葉不僅可以直接吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還可以充當(dāng)載體為微生物、藻類等生物提供附著場(chǎng)所[19]，已有國(guó)內(nèi)研究表明濕地植物在生長(zhǎng)的過(guò)程中可能會(huì)在莖葉表面形成的附植生物膜（Eriphytic biofilm），其富集了水體中的藻類、泥沙、有機(jī)質(zhì)、菌膠團(tuán)、微生物等物質(zhì)[20]，這種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的附植生物復(fù)合體可以通過(guò)吸收、吸附、共沉淀等物理、化學(xué)和生物途徑截留多種形態(tài)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)水體中氮磷元素的去除有顯著的效果[10]。研究已發(fā)現(xiàn)水流和水深等水力條件對(duì)其凈化效率產(chǎn)生重要影響[21]，但對(duì)其影響機(jī)理還不明確，特別是對(duì)流速影響方面的研究相對(duì)較少，水力條件對(duì)莖葉微生物影響的相關(guān)研究也相對(duì)缺乏。

目前國(guó)內(nèi)外多采用靜態(tài)控制水力停留時(shí)間（HRT）的方法以控制水力條件，為更貼切真實(shí)治污環(huán)境，本研究采用水體動(dòng)態(tài)循環(huán)流動(dòng)，控制濕地水源流速的方法控制水力負(fù)荷。研究分析不同水力條件對(duì)供試污水氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）的去除效果以及莖葉生物膜群落結(jié)構(gòu)的差異，旨在為實(shí)際治理應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 人工濕地系統(tǒng)構(gòu)建

采集太湖流域沉積物作為植物培養(yǎng)底泥，模擬人工濕地微生物環(huán)境；選取高莖苦草(L.)作為濕地供試植物，其為長(zhǎng)江中下游流域常見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)水生植物，為多年生沉水草本，多見(jiàn)于河流、溪溝、池塘、湖泊等水域環(huán)境中，有匍匐莖，根系較為發(fā)達(dá)。試驗(yàn)在浙江農(nóng)林大學(xué)平山新村實(shí)驗(yàn)基地大棚內(nèi)進(jìn)行，依據(jù)《人工濕地污水處理技術(shù)導(dǎo)則》(RSIN—TG006—2009)要求，構(gòu)建19組模擬人工濕地系統(tǒng)，其中包含4組規(guī)格為60 cm（L）×30 cm（W）×70 cm（H）的三格式靜態(tài)批式濕地系統(tǒng)以及15組三格式動(dòng)態(tài)批式濕地系統(tǒng)（圖1），每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)僅栽種單種植物，種植密度為30～35株/m3，水泵將蓄水箱中的污水經(jīng)由流量控制閥泵入濕地系統(tǒng)進(jìn)水口，污水經(jīng)過(guò)進(jìn)水區(qū)、植物種植區(qū)，最后從濕地系統(tǒng)出水區(qū)上方的出水口自流回系統(tǒng)下方的蓄水箱完成循環(huán)。

圖 1 動(dòng)態(tài)濕地系統(tǒng)示意圖

注：1.基質(zhì)鋪設(shè)為下層鋪設(shè)厚度為6 cm的太湖底泥，上層鋪設(shè)厚度為8 cm粒徑為6～8 mm水處理專用石英砂；2.進(jìn)水口、出水口與植物種植區(qū)之間的擋板在20-50 cm高度處均勻打孔，孔徑為7 mm。

Note: 1.The substrate is laid with 6cm thick Taihu Lake Sediment in the lower layer and 8 cm thick quartz sand with particle size of 6 ～ 8 mm for water treatment in the upper layer; 2. The baffle between the water inlet, water outlet and the plant planting area shall be drilled evenly at the height of 20-50 cm, and the hole diameter is 7 mm.

1.2 濕地系統(tǒng)供試水質(zhì)

系統(tǒng)進(jìn)水模擬生活污水各項(xiàng)指標(biāo)，主要成分包括分析純(NH4)2SO4、NaH2PO4等，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表 1 濕地系統(tǒng)供試水質(zhì)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間為2021年6-11月，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)各處理組中移植長(zhǎng)度為10 cm的高莖苦草萌發(fā)苗。水體流態(tài)分為：靜態(tài)批式、低流速循環(huán)批式（進(jìn)水速度恒定為35 L/min）、高流速循環(huán)批式（進(jìn)水速度恒定為70 L/min）；每7 d換水1次（整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)供試水質(zhì)指標(biāo)盡量保證相同），換水前后各取一次水樣，均采集各裝置進(jìn)水區(qū)、種植區(qū)、出水區(qū)和儲(chǔ)水箱水樣組成混合樣，水質(zhì)分析指標(biāo)包括氨氮濃度和總磷濃度，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻立馬無(wú)菌采集各裝置內(nèi)沉積物樣本以及沉水植物植株，將沉積物樣本編號(hào)為：SA（靜態(tài)組）、SB（低流速組）、SC（高流速組）并保存于-80 ℃冰箱備用；植株葉片使用無(wú)菌PBS洗脫液進(jìn)行生物膜洗脫處理，經(jīng)抽濾后得到沉水植物葉片附植生物膜樣本，并編號(hào)為：BA（靜態(tài)組）、BB（低流速組）、BC（高流速組），洗脫液保存在4 ℃冰箱備用。采用高通量測(cè)序法測(cè)定分析濕地系統(tǒng)內(nèi)微生物的各項(xiàng)生物指標(biāo)。各試驗(yàn)組運(yùn)行參數(shù)如表2。

表 2 各試驗(yàn)組運(yùn)行參數(shù)

1.4 微生物高通量測(cè)序及群落結(jié)構(gòu)分析方法

本試驗(yàn)采用Illumina平臺(tái)對(duì)群落DNA片段進(jìn)行雙端（Paired-end）測(cè)序，采用DADA2方法進(jìn)行去引物、質(zhì)量過(guò)濾、去噪等步驟，再對(duì)核酸序列中的插入和缺失錯(cuò)誤進(jìn)行糾正后得到ASV特征序列，對(duì)其長(zhǎng)度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、物種分類學(xué)注釋，產(chǎn)生ASV/OTU豐度表。

采用QIIME（2019.4）、R語(yǔ)言等軟件，使用未抽平的ASV/OTU表，設(shè)置最小抽平深度為10，設(shè)置全體樣本中最低測(cè)序深度樣本序列量的95%，在這兩種深度之間均勻選取10個(gè)深度值，每個(gè)深度值抽平10次，選取最大抽平深度時(shí)的得分平均值作為Alpha多樣性指數(shù)；使用抽平后的ASV/OTU表，經(jīng)調(diào)用命令計(jì)算Bray-Curtis、Jaccard等距離矩陣并做PCoA分析，繪制成二維散點(diǎn)圖，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)區(qū)域的可視化；利用Perl腳本對(duì)抽平后的ASV/OTU表格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)樣本的域、門(mén)、綱等七個(gè)分類水平各自含有的單元數(shù)目。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel和SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 (顯著水平設(shè)為＜0.05)，采用Origin 9.1軟件進(jìn)行圖形繪制，包括比較高莖苦草在不同水力負(fù)荷下對(duì)污水氨氮、TP的去除率及差異等。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水力負(fù)荷對(duì)氨氮、總磷去除能力的影響

已有研究表明人工濕地去除氨氮、總磷的能力與水力負(fù)荷、基質(zhì)類型、植物種類、溫度等因素密切相關(guān)，其中水力負(fù)荷是重要影響因素[22]。人工濕地水力負(fù)荷的常用計(jì)算方法為以水量除以表面積，實(shí)際為表面負(fù)荷；本文采用水量除以過(guò)流斷面面積，更能真實(shí)的反應(yīng)水力負(fù)荷的真實(shí)含義，也更切合人工濕地的特點(diǎn)，折合低流速循環(huán)批式水力負(fù)荷為144 cm/d，高流速循環(huán)批式水力負(fù)荷為288 cm/d。通過(guò)處理組A（靜態(tài)批式組）、處理組B（低水力負(fù)荷組）、以及處理組C（高水力負(fù)荷組）交叉對(duì)比，分析高莖苦草在不同水力負(fù)荷下對(duì)各污染物的去除效果。

2.1.1 水力負(fù)荷對(duì)氨氮去除效果的影響由圖2（a）可見(jiàn)，在所有換水周期內(nèi)，濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率隨換水周期的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；第1～2次換水周期，苦草處于幼苗期，莖葉長(zhǎng)度為7～15 cm，葉片呈嫩綠色，表面無(wú)明顯附植生物膜，第3～4次換水周期，苦草由幼苗期生長(zhǎng)到繁盛期，莖葉長(zhǎng)度為30～50 cm，葉片呈翠綠色，其表面的附植生物膜也隨之壯大，第4次換水周期苦草在靜態(tài)、低水力負(fù)荷、高水力負(fù)荷下對(duì)氨氮的去除效率均達(dá)到峰值；第5～6次換水周期，苦草由繁盛期轉(zhuǎn)為初始凋敗期，葉片末梢呈黃綠色，葉片變薄且有半消解狀態(tài)的絮狀，植物對(duì)濕地系統(tǒng)的供氧能力下降，葉片附植生物膜生理活性降低，對(duì)氨氮的去除率有所下降。

采用同水力負(fù)荷下六個(gè)周期氨氮去除率和氨氮去除負(fù)荷兩個(gè)指標(biāo)的平均值表征所構(gòu)建的人工濕地對(duì)污水的脫氮能力。由圖2（b）可見(jiàn)，隨著水力負(fù)荷的增加，濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率和去除負(fù)荷均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，結(jié)合顯著性分析結(jié)果（＜0.05）可知，水力條件的改變導(dǎo)致各處理組的氨氮去除率之間存在顯著差異。

圖 2 水力負(fù)荷對(duì)氨氮去除效果的影響

2.1.2 水力負(fù)荷對(duì)TP去除效果的影響由圖3（a）可見(jiàn)，隨換水周期的增加，植物的生長(zhǎng)狀況同上；第1～2次換水周期，各試驗(yàn)組TP去除率即出現(xiàn)峰值，在隨后的第3～6次換水周期內(nèi)，各試驗(yàn)組TP去除率均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)。

采用同水力負(fù)荷下六個(gè)周期TP的去除率和去除負(fù)荷兩個(gè)指標(biāo)的平均值表征所構(gòu)建的人工濕地對(duì)污水的脫氮能力。由圖3（b）可見(jiàn)，隨著水力負(fù)荷的增加，濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除率和去除負(fù)荷均呈現(xiàn)小幅度的升高后迅速降低的趨勢(shì)，同周期內(nèi)濕地系統(tǒng)對(duì)TP去除率由大到小為：低水力負(fù)荷組＞靜態(tài)批式組＞高水力負(fù)荷組。結(jié)合顯著性分析結(jié)果（＜0.05）可知，各裝置TP凈化能力對(duì)水力條件改變的響應(yīng)為：靜態(tài)試驗(yàn)組和低流速試驗(yàn)組之間不存在顯著差異，高流速試驗(yàn)組與前兩組間存在顯著差異，TP去除負(fù)荷這一指標(biāo)尤為明顯。

圖 3 水力負(fù)荷對(duì)TP去除效率的影響

2.2 濕地微生物群落結(jié)構(gòu)特征

2.2.1 微生物群落Alpha多樣性分析為能較為全面的評(píng)估微生物群落的Alpha多樣，以Chao1和Observed species指數(shù)表征豐富度，以Shannon和Simpson指數(shù)表征多樣性。

由圖4可以看出，水力負(fù)荷對(duì)沉積物及附植生物膜中微生物群落結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生顯著性影響（＜0.05）。對(duì)于沉積物中微生物來(lái)說(shuō)，處理組SA的Chao1、Observed species、Shannon以及Simpson指數(shù)均最高，處理組SB的各項(xiàng)指標(biāo)均最低；對(duì)于葉片微生物來(lái)說(shuō)，BA、BB、BC對(duì)應(yīng)Chao1、Observed species、Shannon以及Simpson指數(shù)均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，其微生物群落的豐富度和復(fù)雜度均增加，說(shuō)明水力負(fù)荷對(duì)濕地沉水植物葉片微生物群落的多樣性存在顯著的正向促進(jìn)作用。

2.2.2 微生物群落Beta多樣性分析 Beta多樣性聚焦于不同生境間的多樣性，比較樣本間的差異。ASV分類學(xué)水平的主坐標(biāo)分析(Principal coordinates analysis，PCoA)是一種典型的非約束排序。采用基于ASV分類水平的主坐標(biāo)分析（PCoA）展示不同沉積物及附植微生物樣本群落結(jié)構(gòu)的差異性（圖5）。PCoA第一坐標(biāo)貢獻(xiàn)度為31.6%，第二坐標(biāo)貢獻(xiàn)度為13.8%。沉積物中微生物的樣本SA、SB、SC都較為貼近，說(shuō)明水力負(fù)荷對(duì)沉積物樣本的微生物群落結(jié)構(gòu)的影響不顯著；而附植微生物的樣本BA、BB、BC三者相距較遠(yuǎn)，說(shuō)明水力負(fù)荷能顯著影響附植微生物的群落結(jié)構(gòu)。

圖 5 微生物群落Beta多樣性分析

2.2.3 微生物物種Venn圖分析基于ASV/OTU豐度表制作韋恩圖進(jìn)行群落分析，以研究不同的樣本間物種的共有性和獨(dú)有性，從而分析樣本間的結(jié)構(gòu)差異和重疊現(xiàn)象。各處理組的ASV分析結(jié)果顯示，各處理組中共同的OTU數(shù)量?jī)H為36個(gè)，說(shuō)明在不同水力條件下，沉積物及葉片微生物群落出現(xiàn)了顯著變化；對(duì)于沉積物微生物群落來(lái)說(shuō)，與SA（靜態(tài)組）相比，SB（低流速組）和SC（高流速組）的微生物豐度均顯著下降；對(duì)于葉片微生物群落來(lái)說(shuō)，與BA（靜態(tài)組）相比，BB（低流速組）與BC（高流速組）的微生物豐度均顯著提高，處理組BB豐度提升最為明顯，由此可見(jiàn)，適當(dāng)增大水力負(fù)荷有利于提高附植生物膜為生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖 6 濕地系統(tǒng)微生物群落Venn分析

2.2.4 微生物群落組成分析沉積物微生物和葉片附著微生物在豐度上有著極其顯著的差異。由圖7（a）可知，沉積物所有樣本中微生物在門(mén)水平上的細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門(mén)為變形菌門(mén)Proteobacteria（26.08%～37.57%）、綠彎菌門(mén)Choloroflexi（22.88%～25.52%）、放線菌門(mén)Actinobacteria（3.58%～27.03%）、擬桿菌門(mén)Firmicutes（3.57%～5.04%），占總豐度和的70.95%～81.73%；葉片附著微生物所有樣本在門(mén)水平上的細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門(mén)為變形菌門(mén)Proteobacteria（84.29%～88.12%）、擬桿菌門(mén)Firmicutes（7.13%～13.63%），占總豐度和的95%以上，與沉積物中優(yōu)勢(shì)菌門(mén)相比，豐都占比顯著增加；從圖7（b）可看出，沉積物樣本中微生物在屬水平上的優(yōu)勢(shì)菌屬為OPB41（0.76%～7.06%）、MB-A2-108（0.55%～6.40%）、KD4-96（0.87%～4.93%），占總豐度和的2.18%～18.39%；而葉片附著微生物樣本在屬水平上的優(yōu)勢(shì)菌屬為假單胞菌屬（24.68%～47.96%）、氣單胞菌屬（7.55%～16.94%）、副球菌屬（0.16%～28.26%）、微小桿菌屬（4.27%～5.97%）,占總豐都和的59.54%～75.85%，與沉積物樣本中優(yōu)勢(shì)菌屬相比，優(yōu)勢(shì)菌屬種類顯著變化，且總豐度占比顯著增加。

圖7 微生物群落組成分析

3 討 論

3.1 水力負(fù)荷對(duì)濕地植物凈化效率的影響

水力負(fù)荷可對(duì)人工濕地中氨氮、COD的凈化效率產(chǎn)生顯著性影響（<0.05）。本試驗(yàn)中水力負(fù)荷為144 cm/d時(shí)濕地系統(tǒng)氨氮和TP的凈化效果最好，出水可達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中III類水體要求；良好的消氮納磷效果結(jié)合較低的處理成本，凸顯出濕地系統(tǒng)凈化農(nóng)業(yè)污水的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)濕地系統(tǒng)處理過(guò)的生活污水可回用作為景觀水體、清潔用水的補(bǔ)給，以緩解我國(guó)水資源短缺的情況。

濕地系統(tǒng)氨氮的凈化功能主要依賴于植物莖葉表面以及填料空隙之間附著的生物膜的生化反應(yīng)[23,24]。當(dāng)水力負(fù)荷太小時(shí)，污水停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)厭氧環(huán)境，抑制系統(tǒng)內(nèi)硝化細(xì)菌的硝化作用；適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性能為系統(tǒng)內(nèi)帶來(lái)充足的氧氣，同時(shí)有利于水體中的氨氮附著于生物膜上，促進(jìn)氨氮的去除；當(dāng)水力負(fù)荷過(guò)大時(shí)，污水停留時(shí)間過(guò)短，污染物與生物膜接觸不充分，反應(yīng)還未達(dá)到微生物的世代時(shí)間即被帶出反應(yīng)系統(tǒng)。同時(shí)，過(guò)大的水力負(fù)荷的沖刷作用會(huì)帶走系統(tǒng)中一部分硝化細(xì)菌，一定程度上破壞了濕地系統(tǒng)微生物系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)的凈化能力上限，導(dǎo)致氨氮的去除率下降。與靜態(tài)、低流速試驗(yàn)組相比，高流速試驗(yàn)組氨氮去除率的峰值出現(xiàn)的普遍更早，筆者認(rèn)為其原因可能是較高的水流速度能為植物生長(zhǎng)帶來(lái)更充分的氧氣，促使植物生長(zhǎng)得更快。有研究表明，濕地系統(tǒng)中TP的凈化功能由基質(zhì)填料間孔隙以及植物莖葉的物理化學(xué)吸收所主導(dǎo)，微生物的生理活動(dòng)可分解孔隙內(nèi)部已吸附的磷元素，防止填料孔隙堵塞，但對(duì)濕地系統(tǒng)中磷元素的去除影響較小[25]。同時(shí)，本試驗(yàn)中人工構(gòu)建的濕地系統(tǒng)的裝置內(nèi)壁可能也對(duì)濕地系統(tǒng)TP去除過(guò)程有所貢獻(xiàn)。隨著換水周期的增加，起到主導(dǎo)作用的基質(zhì)填料和系統(tǒng)裝置對(duì)磷的吸附作用日漸飽和，同時(shí)植物生長(zhǎng)到繁盛期，植物莖葉及其附植生物膜對(duì)磷的吸附固定作用增強(qiáng)，二者此消彼長(zhǎng)，但植物生長(zhǎng)為系統(tǒng)TP去除過(guò)程所帶來(lái)的提升無(wú)法彌補(bǔ)濕地系統(tǒng)內(nèi)TP通過(guò)物理吸附飽和后的落差，只能起到止損的作用，因此在宏觀角度體現(xiàn)為濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除率整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。所以，在本試驗(yàn)中，影響濕地系統(tǒng)TP去除效率的主導(dǎo)因素為基質(zhì)填料孔隙等的物理吸附。處理組A（靜態(tài)組）和處理組B（低流速組）組間TP去除效率差異性不顯著也可以從側(cè)面印證本試驗(yàn)中濕地系統(tǒng)對(duì)TP的去除主要依靠基質(zhì)填料及系統(tǒng)裝置的物理化學(xué)吸附。

當(dāng)水力負(fù)荷從0 cm/d提高到144 cm/d時(shí)，系統(tǒng)TP去除率表現(xiàn)為小幅度上升，但上升幅度不顯著（＜0.05），其原因是適當(dāng)?shù)脑龃笏ω?fù)荷，有利于系統(tǒng)中懸浮的磷元素的吸附和固定，同時(shí)營(yíng)造局部好氧微環(huán)境，增強(qiáng)微生物的生理活動(dòng)促進(jìn)系統(tǒng)TP的去除；當(dāng)水力負(fù)荷從144 cm/d增加到288 cm/d時(shí)，過(guò)高的污水流速的沖擊作用會(huì)使得原本已經(jīng)吸附的在填料空隙和植物莖葉表面的磷元素再釋放，導(dǎo)致濕地系統(tǒng)TP去除率急速下降。

3.2 水力負(fù)荷對(duì)濕地系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

有研究表明，微生物種群之間存在著一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，某一種群的快速生長(zhǎng)必然會(huì)因競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)、空間和生態(tài)位點(diǎn)等對(duì)其他種群的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的抑制作用[26,27]。在本研究中，就沉積物微生物群落而言，低流速組（SB）和高流速組（SC）的微生物群落OTU數(shù)量明顯低于靜態(tài)組（SA），同時(shí)SB和SC組的Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)也均低于SA組，說(shuō)明水力負(fù)荷的增大，導(dǎo)致沉積物微生物群落多樣性、豐富度降低，優(yōu)勢(shì)微生物占據(jù)了更有利的生態(tài)位，其他不適宜環(huán)境的一部分微生物被淘汰，群落結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了分化，微生物群落趨向于穩(wěn)定的方向演化；就附植微生物群落而言，低流速組（BB）和高流速組（BC）的微生物群落OTU數(shù)量明顯高于靜態(tài)組（BA），其Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)也均高于BA組，說(shuō)明水力負(fù)荷的增大，導(dǎo)致附植微生物群落多樣性、豐富度顯著增加，水力負(fù)荷對(duì)附植微生物的繁殖起到了促進(jìn)作用。

沉積物和附植生物膜兩種不同生境的微生物群落組成有著顯著區(qū)別。相比于沉積物中微生物群落，葉片附著微生物群落中擬桿菌門(mén)Firmicutes以及其他菌群的豐度則大幅降低，變形菌門(mén)Proteobacteria的豐度大幅提高，生長(zhǎng)、繁殖速度大幅提高，迅速占據(jù)了第一生態(tài)位。

4 結(jié) 論

針對(duì)水力負(fù)荷對(duì)人工濕地各污染物去除效果的影響，氨氮和TP去除率對(duì)水力負(fù)荷的響應(yīng)均表現(xiàn)為為：低水力負(fù)荷組>靜態(tài)組>高水力負(fù)荷組；低水力負(fù)荷下系統(tǒng)氨氮凈化效率可達(dá)86.9%，TP凈化效率可達(dá)77.8%，系統(tǒng)出水符合“地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)III類”水體要求。

針對(duì)水力負(fù)荷對(duì)濕地系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，隨著水力負(fù)荷的增大，沉積物微生物群落的相對(duì)豐度、多樣性以及OTU數(shù)量降低，葉片表面附植微生物群落的相對(duì)豐度、多樣性以及OTU數(shù)量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

同組內(nèi)的微生物群落在沉積物、葉片表面這兩種不同生境的豐度組成存在顯著性差異。與沉積物為生物群落相比，同組內(nèi)葉片表面微生物群落中不同分類的優(yōu)勢(shì)微生物發(fā)生變化，如變形菌門(mén)Proteobacteria、假單胞菌屬s等的總豐度占比、OTU數(shù)量均顯著性增加。

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Water Purification Efficiency of Submerged Plants and the Response between Wetland Microbial Community Structure and Hydraulic Conditions

WANG Yao-hui, CAO Yu-cheng*, ZHOU Yan-xin

311300,

To explore the purification efficiency of submerged plants for water pollutants and the difference of microbial community structure of stem and leaf biofilm under different hydraulic loads, the constructed wetland was constructed, and the dynamic hydraulic load was precisely controlled by the pump valve flowmeter system. The purification efficiency of submerged plantL. to simulated sewage and the response of microbial community structure difference to different hydraulic loads were studied. The hydraulic load can have a significant impact on the decontamination effect of the wetland system, of which 144 cm/d is the best. The purification efficiency of ammonia nitrogen and TP of the system can reach 86.9% and 77.8%, respectively. The effluent of the system meets the requirements of class III water body in the environmental quality standard for surface water. Hydraulic load had a significant effect on the microbial community structure in the wetland system (<0.05). With the increase of hydraulic load, the relative abundance, diversity and OTU number of microbial communities in sediment samples gradually decreased; The relative abundance, diversity and OTU number of leaf microbial communities showed an upward trend. Compared with the sediment microbial community, the total abundance of Proteobacteria andin the leaf surface microbial community in the same group was significantly increased.

Submerged plants; water purification; microbial community structure

S592

A

1000-2324(2022)06-0850-08

2022-05-07

2022-06-29

浙江省重大科技專項(xiàng)重點(diǎn)社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(2015C03007);浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019C03121);浙江省“三農(nóng)六方”科技協(xié)作項(xiàng)目(CTZB-F170623LWZ-SNY1)

王耀輝(1996-),男,研究生在讀,從事農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)治理研究. E-mail:zafuwyh111@163.com

Author for correspondence. E-mail:Caoyucheng@zafu.edu.cn

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.06.006