謝孟穎，李鑫宇，陳桂珠，種云霄

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642）

【研究意義】當(dāng)前我國許多受污染地表水體中的外源污染已經(jīng)得到控制，但是底泥中仍然沉積大量污染物，成為影響水體環(huán)境質(zhì)量的內(nèi)源污染［1］。底泥中的亞鐵〔Fe（Ⅱ）〕和酸可揮發(fā)性硫化物（AVS）等還原態(tài)物質(zhì)對(duì)底棲生物具有毒害性，影響底棲生物群落的發(fā)育；同時(shí)，氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)向上覆水?dāng)U散，導(dǎo)致水中氮、磷濃度升高、刺激藻類生長［2］。因此，如何有效削減內(nèi)源污染物總量，控制底泥中污染物向水體中釋放，逐漸成為水體污染控制與生態(tài)修復(fù)的重要目標(biāo)。【前人研究進(jìn)展】已有研究表明，以沉水植物為主導(dǎo)的原位生態(tài)治理與修復(fù)是控制內(nèi)源污染較為經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施，具有操作簡單、所需能耗低、低投資和高效益的優(yōu)點(diǎn)，還可提升景觀，具有生態(tài)效益等［3］。沉水植物在生長過程中會(huì)與藻類競爭水中的養(yǎng)分，同時(shí)釋放一些抑制或殺死藻類的化學(xué)物質(zhì)（如化感物質(zhì)）［4］；其根、莖、葉可吸收和富集水體、底泥中的氮、磷元素，同時(shí)釋放氧氣，為好氧生物提供生長環(huán)境，凈化水質(zhì)，改善水環(huán)境［5］。沉水植物根系能通過泌氧和吸收作用去除底泥中的還原態(tài)物質(zhì)，然而底泥中有毒害作用的還原態(tài)物質(zhì)，如硫化氫、亞鐵、有機(jī)胺等含量過高，則會(huì)對(duì)根系生長造成抑制，甚至引起植珠死亡、腐敗，對(duì)底泥造成二次污染［6］。由此可見，沉水植物可通過其復(fù)雜的生長代謝過程改善水體環(huán)境，然而底泥中有毒物質(zhì)也會(huì)對(duì)植物造成威脅，且會(huì)因植物類型的不同而有所差異。因此，選取合適的沉水植物對(duì)于原位生態(tài)治理與修復(fù)技術(shù)尤為重要。根據(jù)生長發(fā)育特點(diǎn)，可將沉水植物分為草甸型和冠層型，目前關(guān)于這兩種典型沉水植物對(duì)內(nèi)源污染物削減效果的研究較少。【本研究切入點(diǎn)】輪葉黑藻（Hydrilla verticillata）為冠層型沉水植物，常見于淡水生態(tài)系統(tǒng)中，在池塘、溪流及湖泊等淡水水體中均有分布，具有生長速度快、營養(yǎng)鹽吸收速率快等特點(diǎn)，通過直立莖的分枝來擴(kuò)增生物量，常用于水體生態(tài)修復(fù)研究。矮慈姑（Sagittaria pygmaeaMiq）為草甸型沉水植物，直立莖短縮，個(gè)體較矮小，主要依靠橫走的根莖來擴(kuò)增生物量，是近年新篩選的對(duì)黑臭重污染底泥具有較強(qiáng)耐受性的沉水植物［2］。選取兩種不同生長模式且對(duì)內(nèi)源污染具有一定耐受作用的沉水植物進(jìn)行比較，分析不同的生長模式在污染水體中的凈化優(yōu)勢?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以上述兩種典型的草甸型和冠層型沉水植物為研究對(duì)象，利用采自重污染水體底泥構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，比較兩種沉水植物對(duì)內(nèi)源污染物的控制效果，為受污染水體的生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

矮慈姑（Sagittaria pygmaeaMiq）為本研究團(tuán)隊(duì)于2014 年采自廣東河源東江流域稻田野外，帶回華南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地利用水稻土培養(yǎng)擴(kuò)增；輪葉黑藻（Hydrilla verticillata）于2020 年采自廣州南沙某河涌，帶回實(shí)驗(yàn)室后采用水稻土擴(kuò)增培養(yǎng)。兩種植物均通過逐漸加入污染底泥的方式，進(jìn)行3 個(gè)月污染底泥耐受性馴化，直至植株在污染底泥中存活［2］。

污染底泥采自廣東江門某重污染河涌，外觀呈黑色，帶有刺激性氣味。經(jīng)測定，污染底泥的初始性質(zhì)如下：含水率30.45%、全氮（TN）含量740 mg/kg、全磷（TP）含量519 mg/kg、有機(jī)質(zhì)含量15 g/kg、亞鐵Fe（Ⅱ）含量188.29 mg/kg、酸可揮發(fā)性硫化物（AVS）含量321.3 mg/kg、氨氮（）含量24 mg/kg、pH7.31。底泥中各項(xiàng)污染物含量較高，屬于污染較嚴(yán)重的厭氧還原態(tài)底泥。

1.2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)裝置采用上下口直徑20 cm、高150 cm 透明塑料圓桶，底部鋪入30 cm 的污染底泥，設(shè)置矮慈姑和輪葉黑藻系統(tǒng)各1 組，每組3個(gè)平行裝置。每個(gè)裝置中，初始移栽的植株數(shù)量均為10 株，其中，矮慈姑有4～10 條根/株，根長4～10 cm，平均約5 cm，1～2 條匍匐莖，4～6 枚直立葉片，葉長約10 cm 左右；輪葉黑藻株高統(tǒng)一修剪為10 cm，3～8 條根/株，根長4～10 cm，平均約6 cm，4～9 分枝/株。植物移栽后，每個(gè)裝置加入雙蒸水10 L，水位高約30 cm，整個(gè)裝置置于露天環(huán)境中。試驗(yàn)時(shí)間為2020 年8 月中旬—12 月中旬，期間定期補(bǔ)充雙蒸水維持水位高度，避免因上覆水蒸發(fā)或取水樣導(dǎo)致水位低于30 cm，降雨時(shí)最高水位不控制，暴雨時(shí)水位高于水桶高度自行溢流。

試驗(yàn)期間每7 d 對(duì)6 個(gè)裝置的上覆水取樣1次，使用200 mL 透明塑料瓶分別在上覆水表層與水面下30 cm 處取水200 mL，混合于500 mL 聚乙烯瓶，用于測定上覆水TN、TP 和葉綠素a 含量，共取樣18 次。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將各裝置上覆水緩慢排出，使水位降至0～5 cm 處，首先對(duì)各系統(tǒng)植物的株數(shù)、株高及生長情況等進(jìn)行測定，再用木鏟取表層0～10 cm 處底泥樣品500 mL，最后將表層底泥剝離，取10～20 cm 處下層底泥樣品500 mL。取回的表層底泥和下層底泥一部分風(fēng)干后用于測定底泥TN、TP、Fe（Ⅱ）、AVS、NH4+-N等污染物指標(biāo)；每個(gè)表層底泥樣品取50mL 用于底泥沉降性能的測定；另取0～10 cm處表層底泥（根系集中分布區(qū)域）貯存于4 ℃冰箱，隨后送往廣東美格基因科技有限公司完成建庫及測序工作。

1.3 指標(biāo)測定

上覆水：總氮含量測定采用堿性過硫酸鉀光度法（HJ 636-201）、總磷含量測定采用鉬酸銨分光光度法（GB/T11893-1989）、葉綠素a 含量測定采用乙醇免研法。

底泥：Fe（Ⅱ）含量測定采用紫外分光光度法（FHZDZTR0158）、酸可揮發(fā)性硫化物（AVS）含量采用酸性揮發(fā)硫測定法、NH4+-N 含量測定采用氯化鉀溶液提取-分光光度法（HJ 634-2012）；底泥的沉降性能測定參照序批式活性污泥法污水處理工程技術(shù)規(guī)范（HJ 577-2010）中活性污泥沉降性能的測定方法，按以下步驟操作：取表層底泥50 mL 放入100 mL 量筒中，逐步加入純水到100 mL，攪拌混勻，靜置，觀察水底泥界面的下降情況，定期測定沉降的底泥的容積。

微生物高通量測序：使用帶barcode 的特異引物及TaKaRa Premix Taq? Version 2.0（TaKaRa Biotechnology Co.，Dalian，China）進(jìn)行PCR 擴(kuò)增，前端引物序列為：GTGCCAGCMGCCGCGGTAA，后端引物序列為：GGACTACHVGGGTWTCTAAT。用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR 產(chǎn)物的片段長度和濃度，主帶長度在正常范圍內(nèi)的樣品可用于進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。利用GeneTools Analysis Software（Version4.03.05.0，SynGene）對(duì)PCR 產(chǎn)物進(jìn)行濃度對(duì)比后，按照等質(zhì)量原則計(jì)算各樣品所需體積，將各PCR 產(chǎn)物進(jìn)行混合。使用 E.Z.N.A.? Gel Extraction Kit（Omega，USA）凝膠回收試劑盒回收PCR 混合產(chǎn)物，TE緩沖液洗脫回收目標(biāo)DNA 片段。委托廣東美格基因科技有限公司完成建庫及測序工作。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)使用Excel 2010，用誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)誤，實(shí)驗(yàn)結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，使用Origin 2022 繪制圖表，使用IBM SPSS 22 中的One-way ANOVA（Ducan法）比較數(shù)據(jù)的顯著性。

底泥微生物數(shù)據(jù)使用SMRT Link Analysis 軟件6.0 版處理PacBio 原始reads，以獲得環(huán)形一致性序列（CCS）reads：參數(shù)設(shè)置最小通過次數(shù)為3，最小預(yù)測準(zhǔn)確度為0.99。原始reads 通過SMRT Portal 處理，以篩選序列的長度和質(zhì)量。使用UPARSE 將分類操作單元（OTU）以98.65%的相似性閾值聚類，并使用UCHIME 去除嵌合序列。進(jìn)行物種組成分析和α 多樣性分析前，以最低的OTU 序列數(shù)組別為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抽平處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種沉水植物生長擴(kuò)增情況

如圖1 所示，兩種植物在污染底泥中呈現(xiàn)不同的生長情況，矮慈姑的株高沒有變化，但株數(shù)擴(kuò)增達(dá)10 倍以上，約106（±40）株，根長由初始的5 cm 增長至10 cm，每株植物根的數(shù)量仍維持在4～10 條，由于株數(shù)大量增加，相應(yīng)根的數(shù)量也成倍增加，在底泥中形成了密集的根系層。輪葉黑藻的株數(shù)和根長較試驗(yàn)開始時(shí)變化不大，株數(shù)保持在10（±2）株，根長由起初的平均6 cm增長到8 cm，但株高大幅提升，達(dá)到初始時(shí)的3～4 倍，約為30～40 cm，且分枝數(shù)量也從每株4～9分枝增加到9～13 分枝，在整個(gè)上覆水中形成緊密的莖葉冠層。綜合比較來看，矮慈姑地上和地下生物量同步擴(kuò)增，輪葉黑藻則是地上生物量擴(kuò)增且占據(jù)較大的水下空間，地下生物量維持不變。

2.2 兩種沉水植物生長對(duì)上覆水水質(zhì)的影響

由圖2 可知，矮慈姑和輪葉黑藻系統(tǒng)上覆水TN 和TP 的濃度均控制在較低水平，矮慈姑系統(tǒng)的TN、TP 范圍分別為0.2～1.2、0.03～0.1 mg/L，輪葉黑藻系統(tǒng)的分別為0.3～1.1、0.01～0.09 mg/L，差異不顯著。主要原因是系統(tǒng)內(nèi)上覆水來自雨水和雙蒸水補(bǔ)水，氮磷濃度較低，大部分氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)來源于底泥，可以被沉水植物和藻類直接或間接吸收利用或被底泥吸附和沉降。

圖2 矮慈姑系統(tǒng)和輪葉黑藻系統(tǒng)上覆水中TN（A）、TP（B）和葉綠素a（C）含量變化Fig.2 Cocentration changes of TN (A),TP (B) and chlorophyll a（C）in the overlying water of Sagittaria pygmaea Miq a dn Hydrilla verticillate system

隨著試驗(yàn)進(jìn)展，兩個(gè)系統(tǒng)上覆水的葉綠素a含量均呈下降趨勢，矮慈姑上覆水葉綠素a 含量為2.29～19.35 μg/L、平均值為9.61 μg/L；輪葉黑藻上覆水葉綠素a 含量為2.45～50.59 μg/L，平均值為9.39 μg/L。大部分時(shí)間輪葉黑藻低于矮慈姑系統(tǒng)，只有兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)高于矮慈姑系統(tǒng)，該時(shí)間點(diǎn)為暴雨期，大量降水導(dǎo)致輪葉黑藻系統(tǒng)底泥被攪動(dòng)懸浮，沉降在底部的藻類沉浮在上覆水中，而矮慈姑系統(tǒng)由于密集生物量覆蓋和根系固定作用，底泥懸浮情況較輕，降雨帶來的溫度和光照下降致使藻類生長不活躍，因此上覆水中葉綠素a 含量下降。

2.3 兩種沉水植物生長對(duì)底泥的影響

2.3.1 沉降性能 從圖3 可以看出，矮慈姑系統(tǒng)的底泥沉降性能優(yōu)于輪葉黑藻系統(tǒng)，在沉降試驗(yàn)進(jìn)行到120 min 時(shí)，矮慈姑系統(tǒng)底泥沉降至72 mL處，而輪葉黑藻系統(tǒng)底泥只沉降至84 mL 處；當(dāng)沉降試驗(yàn)進(jìn)行到24 h，矮慈姑系統(tǒng)底泥沉降至63 mL，而輪葉黑藻系統(tǒng)底泥沉降至69 mL 處。總體來看，矮慈姑系統(tǒng)表層底泥在受擾動(dòng)時(shí)更易沉降。

圖3 矮慈姑系統(tǒng)與輪葉黑藻系統(tǒng)底泥沉降性能變化Fig.3 Changes in sedimentation performance of sediment of Sagittaria pygmaea Miq and Hydrilla verticillate system

2.3.2 底泥中還原態(tài)物質(zhì)的去除效果 如圖4 所示，與初始底泥相比，矮慈姑系統(tǒng)表層底泥的AVS 含量由初始的321.3 mg/kg 下降至64.2 mg/kg，差異顯著，去除率達(dá)80.57%，而矮慈姑系統(tǒng)下層底泥AVS 含量略有上升；輪葉黑藻系統(tǒng)表層和下層底泥中的AVS 含量分別較初始底泥相比上升13.6%和19.2%，但差異不顯著。綜合來看，4 部分底泥樣品，只有矮慈姑系統(tǒng)表層（0～5 cm）底泥中的AVS 被有效去除，該部分底泥含有密集的矮慈姑根系層，表明底泥中AVS 的去除主要是依賴根系作用，輪葉黑藻由于根系不發(fā)達(dá)，無法對(duì)AVS 去除起到有效作用。AVS 可被氧化性物質(zhì)直接化學(xué)氧化或在微生物作用下氧化，因此，矮慈姑密集根系釋放的氧應(yīng)該是表層底泥中AVS 大量去除的原因［7］。

圖4 矮慈姑系統(tǒng)和輪葉黑藻系統(tǒng)底泥中AVS（A）、Fe（Ⅱ）（B）和NH4+-N（C）含量變化Fig.4 Concentration changes of AVS（A）, Fe（Ⅱ）（B）and NH4+-N（C） in sediment of Sagittaria pygmaea Miq and Hydrilla verticillate system

矮慈姑和輪葉黑藻的生長使底泥中的Fe（Ⅱ）含量發(fā)生較大變化（圖4）。與初始底泥相比，矮慈姑系統(tǒng)和輪葉黑藻系統(tǒng)的表層底泥中Fe（Ⅱ）含量均顯著降低，分別下降67.43%、24.75%，而下層底泥的Fe（Ⅱ）含量下降不顯著，下降率分別為24.75%、4.46%。從整個(gè)底泥Fe（Ⅱ）含量的變化來看，矮慈姑系統(tǒng)表層和下層底泥亞鐵濃度的下降幅度均大于輪葉黑藻系統(tǒng)，其中表層底泥的變化更為顯著。與AVS 相同，F(xiàn)e（Ⅱ）在氧化環(huán)境中也可被氧化。此外，鐵也是植物生長所需的重要元素，矮慈姑和輪葉黑藻生物量的大幅擴(kuò)增對(duì)Fe（Ⅱ）吸收利用量較大，因此矮慈姑系統(tǒng)表層底泥中Fe（Ⅱ）含量下降應(yīng)是根系泌氧和吸收利用兩種作用所致，而輪葉黑藻系統(tǒng)主要是吸收利用，因此去除量低于矮慈姑系統(tǒng)。

與初始底泥相比，矮慈姑表層和下層底泥中NH4+-N 含量均顯著下降，分別降低72.48%和19.68%。輪葉黑藻表層底泥含量較初始下降61.41%，而下層底泥NH4+-N 含量則小幅增加。N是沉水植物生長所需的主要營養(yǎng)元素，而NH4+-N是沉水植物可直接吸收利用的氮形式，本試驗(yàn)中上覆水補(bǔ)水主要來自雨水和雙蒸水，氮含量較低，矮慈姑和輪葉黑藻的生長擴(kuò)張所需的氮元素主要來自于底泥，是導(dǎo)致兩個(gè)系統(tǒng)底泥NH4+-N 含量下降的主要因素。此外，NH4+-N 還通過硝化、反硝化作用去除，矮慈姑系統(tǒng)根系表層具有豐富的好氧環(huán)境條件，有利于硝化反應(yīng)發(fā)生。而遠(yuǎn)離根系區(qū)域（深度10～20 cm）則處于缺氧環(huán)境，有利于反硝化反應(yīng)，使得部分NH4+-N 通過硝化、反硝化作用去除，因此矮慈姑系統(tǒng)底泥-N 的去除率高于輪葉黑藻系統(tǒng)。

2.3.3 底泥中TN、TP含量變化 與初始底泥相比，試驗(yàn)結(jié)束后，矮慈姑和輪葉黑藻表層和下層底泥中TN、TP 含量均有所升高，這可能是因?yàn)橹参锷L后期，部分葉片或根部組織枯萎、腐爛和藻類生長凋亡后沉積到底泥表層，將植物體內(nèi)的氮、磷釋放到底泥中，從而導(dǎo)致表層底泥TN、TP 含量升高［8］。但矮慈姑系統(tǒng)下層底泥中TN、TP 較上層底泥濃度上升不顯著，說明矮慈姑的發(fā)達(dá)的根系有效減少了氮、磷向下層底泥的富集。此外，由于根系的泌氧作用，部分N、P 元素可能會(huì)在好氧微生物的作用下通過硝化、反硝化作用去除［9］（圖5）。

圖5 矮慈姑系統(tǒng)和輪葉黑藻系統(tǒng)底泥中TN（A）和TP（B）含量變化Fig.5 Concentrations changes of TN（A）and TP（B）in sediment of Sagittaria pygmaea Miq and Hydrilla verticillate system

2.4 底泥微生物群落結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 Alpha多樣性分析 基于16S rRNA 高通量測序數(shù)據(jù)，對(duì)兩種沉水植物表層底泥種微生物多樣性進(jìn)行分析，采用reads 指數(shù)反映物種差異度，采用Chao1 指數(shù)反映物種豐富度，采用Shannon指數(shù)、Simpson 指數(shù)反映群落物種的豐富度和均勻度［10-11］。由圖6 可知，reads 指數(shù)反映矮慈姑與輪葉黑藻系統(tǒng)微生物在OTU 間差異不顯著，輪葉黑藻的Chao1 指數(shù)高于矮慈姑系統(tǒng)，表明輪葉黑藻系統(tǒng)底泥中物種總數(shù)更多、物種更豐富；而Simpson 指數(shù)和Shannon_e 指數(shù)分別高于和低于矮慈姑系統(tǒng)，表明輪葉黑藻系統(tǒng)的物種豐富度和群落多樣性均高于矮慈姑系統(tǒng)。輪葉黑藻和矮慈姑系統(tǒng)在物種豐富度上差異性顯著，而在群落種類方面差異不顯著。

圖6 矮慈姑系統(tǒng)和輪葉黑藻系統(tǒng)底泥微生物Alpha 多樣性指數(shù)Fig.6 Alpha diversity index of sediment microorganism in Sagittaria pygmaea Miq and Hydrilla verticillata system

微生物多樣性通常與環(huán)境條件相關(guān)，異質(zhì)性越高，多樣性越高［10］。沉水植物根系泌氧和釋放有機(jī)酸等可改變周圍底泥環(huán)境條件，影響范圍則與根系密集程度有關(guān)［12］，矮慈姑表層底泥中密集分布的根系使得受影響底泥范圍較大，導(dǎo)致環(huán)境條件趨向一致，異質(zhì)性降低，而輪葉黑藻表層底泥中由于根系生物量較小，根系影響范圍有限，環(huán)境條件異質(zhì)性增大，因此微生物多樣性更高［13］。

2.4.2 微生物群落結(jié)構(gòu)組成 兩種沉水植物系統(tǒng)底泥門水平上的微生物類群相對(duì)豐度如圖7 所示，矮慈姑和輪葉黑藻系統(tǒng)內(nèi)前5 的優(yōu)勢門皆為：變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chlorof lexi）、泉古菌門（Crenarchaeota）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae）和酸桿菌門（Acidobacteria），變形菌門在矮慈姑和輪葉黑藻系統(tǒng)中所占相對(duì)豐度最高，分別為47.35%和33.9%，這與錢燕對(duì)池塘底泥中微生物群落結(jié)構(gòu)分析結(jié)果類似［14］。將相對(duì)豐度前15 門水平的細(xì)菌進(jìn)行聚類分析（圖7），發(fā)現(xiàn)矮慈姑系統(tǒng)硝化螺旋菌門、變形菌門較輪葉黑藻系統(tǒng)中的豐度更高，而輪葉黑藻系統(tǒng)中廣古菌門（Euryarchaeota）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）、浮霉菌門（Planctomycetes）的豐度高于矮慈姑系統(tǒng)。

圖7 矮慈姑和輪葉黑藻系統(tǒng)門水平上細(xì)菌的相對(duì)豐度（A）與聚類圖（B）Fig.7 Relative abundance（A）and cluster（B）diagram of bacteria at the phylum level of Sagittaria pygmaea Miq and Hydrilla verticillata system

圖8 為矮慈姑與 輪葉黑藻系統(tǒng)底泥微生物屬水平上的相對(duì)豐度。兩種沉水植物系統(tǒng)內(nèi)前5 位的優(yōu)勢屬主要為硫曲菌屬（Sulfurifustis）、硫堿螺旋菌屬（Thioalkalispira）、RBG-16-58-14、硫桿菌屬（Thiobacillus）和螺旋體屬（Spirochaeta_2）。對(duì)屬水平上相對(duì)豐度前15 的類群進(jìn)行聚類分析發(fā)現(xiàn)，矮慈姑系統(tǒng)中，硫曲菌屬（Sulfurifustis）和硝化螺旋菌屬（Nitrospira）相對(duì)豐度高于輪葉黑藻系統(tǒng)，輪葉黑藻系統(tǒng)中Cyanobium_PCC-6307、螺旋體菌屬（Spirochaeta_2）、假平胞菌屬（Sphingomonas）和地桿菌屬（Geothermobacter）的相對(duì)豐度更高。

圖8 矮慈姑和輪葉黑藻系統(tǒng)屬水平上細(xì)菌的相對(duì)豐度（A）與聚類圖（B）Fig.8 Relative abundance（A）and cluster（B）diagram of bacteria at the genus level of Sagittaria pygmaea Miq and Hydrilla verticillata system

硫曲菌屬（Sulfurifustis）、硝化螺旋菌（Nitrospira）是與氮循環(huán)相關(guān)的硝化反硝化細(xì)菌，含有一種特定的酶，通過酶的催化作用，可以迅速將Fe2+氧化成Fe3+，也可以將還原態(tài)硫氧化成硫酸或單元素硫，從而獲取能量以供自身循環(huán)［15］。矮慈姑系統(tǒng)表層底泥中亞鐵、AVS 和氨氮濃度大幅下降可能與上述類群的作用有關(guān)［16］。而輪葉黑藻系統(tǒng)中豐度更高的螺旋體菌屬（Spirochaeta_2）能分化有機(jī)營養(yǎng)，具有專性或兼性厭氧菌，大部分存在于活性污泥、污水中。假單胞菌屬（Pseudomonas）、假平胞菌屬（Sphingomonas）能抵抗多種植物疾病，產(chǎn)生鐵吞噬細(xì)胞，與鐵競爭，能有效促進(jìn)根際定殖，輪葉黑藻根系不發(fā)達(dá)卻對(duì)污染底泥具有一定耐受性的原因可能與上述微生物有關(guān)［17］。

3 討論

不同沉水植物因?qū)夂涂臻g競爭能力的差異而呈現(xiàn)不同的生長發(fā)育特點(diǎn)，根據(jù)其生長特點(diǎn)將沉水植物分為草甸型和冠層型［18］。其中，草甸型沉水植物具有莖或分枝短、植冠低矮、生長較慢的生物學(xué)特征，絕大部分生活在沉積物附近，對(duì)光和生存空間具有相對(duì)較弱的競爭能力，如輪藻類、苦草、矮慈姑、篦齒眼子菜和微齒眼子菜等物種；相反，冠層型植物具有較長的莖或分枝，植冠高大、生長迅速，可生長到水面附近，對(duì)光和空間具有較強(qiáng)的競爭能力，如穗花狐尾藻、輪葉黑藻和金魚藻等物種［19］。草甸型植物比冠層型植物更有利于維持湖泊的清水穩(wěn)態(tài)。草甸型沉水植物多具有相對(duì)稠密的須根，且絕大部分生活在沉積物附近，能有效阻止沉積物向水體釋放營養(yǎng)鹽，具有顯著提升沉積物滯留營養(yǎng)鹽的能力［20］。冠層型沉水植物生長較快，其衰敗腐爛時(shí)會(huì)釋放大量腐殖質(zhì)和營養(yǎng)鹽進(jìn)入水體，導(dǎo)致浮游植物快速繁殖，從而引起透明度下降。

矮慈姑和輪葉黑藻系統(tǒng)生物量擴(kuò)增及占據(jù)的空間呈現(xiàn)不同的模式。矮慈姑在水底泥界面上下10 cm 范圍內(nèi)大量擴(kuò)增生物量，對(duì)表層底泥的特性產(chǎn)生明顯影響。首先是底泥的懸浮與沉降性能，底泥受到擾動(dòng)后在上覆水中懸浮分散會(huì)促使其中的氮、磷等內(nèi)源污染物向上覆水遷移［21］。這是底泥中內(nèi)源污染物向上覆水?dāng)U散的主要途徑，矮慈姑在水底泥界面的大量發(fā)育有利于控制底泥的懸浮，沉降結(jié)果也表明，即使受擾動(dòng)后懸浮也更容易沉降，這可能是根系的大量發(fā)育，使得底泥的氧化性增加所致［22］。其次是對(duì)底泥中還原性物質(zhì)的影響，NH+4-N、AVS 和Fe（Ⅱ）3 個(gè)還原性物質(zhì)的大量去除有利于緩解污染底泥對(duì)底棲生物的脅迫性，可以促進(jìn)底棲生物的發(fā)育，從而促進(jìn)水體底棲生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)［2，23］。因此，矮慈姑在防控底泥內(nèi)源污染物和促進(jìn)底棲生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)方面具有較好的效果。

輪葉黑藻的生長更側(cè)重對(duì)整個(gè)上覆水空間的占據(jù)，在上覆水中形成密集的冠層，對(duì)藻類的生長具有顯著影響。浮游藻類主要生長于上覆水表層，輪葉黑藻莖葉的大量發(fā)育可以與藻類大量競爭空間和光照。已有研究表明，輪葉黑藻的莖葉可釋放酚類化感物質(zhì)、抑制銅綠微囊藻生長，培養(yǎng)3 d 后可向水中釋放含量為0.3%的總酚類化合物（TPC）［24］，因此，在本研究輪葉黑藻系統(tǒng)中非暴雨期間，葉綠素a 含量一直低于矮慈姑系統(tǒng)。

總體來看，矮慈姑更有利于底泥內(nèi)源污染的改善，輪葉黑藻更有利于上覆水中藻類的控制，在富營養(yǎng)化水體修復(fù)實(shí)踐中，沉水植物組合較單一植物更能抵抗磷負(fù)荷導(dǎo)致的藻類入侵［13］。單一采用矮慈姑或輪葉黑藻，難以實(shí)現(xiàn)底泥污染和藻類控制的雙重目標(biāo)。若兩類植物能形成復(fù)合群落，則有利于雙重目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，但也有研究顯示，對(duì)于底層型沉水植物苦草，輪葉黑藻的生長會(huì)對(duì)其產(chǎn)生抑制作用，兩者難以形成復(fù)合群落，共生時(shí)輪葉黑藻是否也會(huì)抑制矮慈姑生長目前尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究中，矮慈姑和輪葉黑藻對(duì)污染底泥均具有生長耐受性，生物量均大量擴(kuò)增，但擴(kuò)增生長模式不同。矮慈姑在水底泥界面上下10 cm 范圍內(nèi)大量擴(kuò)增，即地上地下生物量同步擴(kuò)增，并可在底泥中形成密集根系層；輪葉黑藻生物量在整個(gè)上覆水空間內(nèi)大量擴(kuò)增，形成密集的莖葉冠層，根系生物量未增加。

矮慈姑通過根系泌氧、植物吸收和微生物的共同作用，使根系所處的表層底泥中AVS、亞鐵和氨氮被大幅去除，去除率分別達(dá)80.57%、67.43%和72.48%，顯著高于輪葉黑藻系統(tǒng)。輪葉黑藻對(duì)底泥中亞鐵和氨氮表現(xiàn)出一定的去除作用，但對(duì)AVS 的去除無明顯效果。

矮慈姑和輪葉黑藻系統(tǒng)表層底泥微生物群落優(yōu)勢屬具有一定差異，矮慈系統(tǒng)硫曲菌屬（Sulfurifustis）和硝化螺旋菌屬（Nitrospira）相對(duì)豐度更高，輪葉黑藻系統(tǒng)中Cyanobium_PCC-6307、螺旋體菌屬（Spirochaeta_2）、假平胞菌屬（Sphingomonas）和地桿菌屬（Geothermobacter）的相對(duì)豐度更高。