净水技术|裘湛：人工湿地植物根际效应对根部微生物影响的研究进展
《净水技术》
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裘 湛
（上海城投污水处理有限公司，上海201203）
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人工湿地技术工艺原理
人工湿地技术是以自然湿地为基础建造的由基质、植物和微生物组成的复合生态系统。根据污水在湿地床中的流动形式，人工湿地可分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直流人工湿地等。作为一种生态处理技术，与传统的物理方法和化学方法相比，人工湿地技术具有投资低、运行费用省和运行耗能低的优势。近年来，人工湿地技术已经被广泛用来处理城市生活污水、工业废水、城市暴雨径流、富营养化湖泊等水体，并取得了良好的效果。
人工湿地通过基质、植物、微生物三者之间的一系列的物理、化学和生物作用实现对有机物、营养元素、重金属等污染物的去除。其中，微生物的代谢作用在污水中有机污染物降解以及氮磷去除过程中发挥了重要作用。在人工湿地根际微生物的作用下，污染物最终被降解、转化为水生植物及微生物可以吸收的营养物质或释放到环境中。在此过程中，异养细菌通过分解有机物为更高级的消费者提供能源，从而推动整个复杂生态系统的发展。同时，人工湿地的植物也为异氧微生物代谢作用的发挥提供了必要的营养与能量。
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人工湿地植物的主要作用
人工湿地植物在人工湿地系统中的作用主要包含三个方面。其一，湿地植物在系统中起到固定床体表面、过滤截留污水中的悬浮物、防止淤泥堵塞、冬季运行时支撑冰面等作用。其二，湿地植物能够从待处理污水中吸收营养物质作为自身生长所需的营养源。最为重要的是，人工湿地植物根系的泌氧能力和分泌物能力，会对系统微生物活性、种群多样性以及功能产生显著影响。
常用于人工湿地系统的挺水植物主要有芦苇(Phragmites australis)、虉草(Phalaris arundinacea)、菖蒲(Acorus calamus)、香蒲(Typha orientalis)、美人蕉(Canna indica)、水葱(Scirpus Tabernaemontani)等，而湿地系统中的主要微生物以细菌最多，放线菌次之，真菌较少。张甲耀等研究不同植物构成的潜流型人工湿地处理系统的净化能力及其异养细菌数量，发现在芦苇湿地中有假单胞菌属、无色杆菌属、不动杆菌属、黄杆菌属、黄单胞菌草属、短杆菌属、节杆菌属、芽孢杆菌属、分枝杆菌属、葡萄球菌属和微球菌属等，假单胞菌属、无色杆菌属和不动杆菌属细菌是优势菌。诸多研究证实栽种植物的人工湿地其基质上的细菌数量比未栽种的高1~2个数量级。种植不同植物的人工湿地，对污染物的处理效果有较大差异，例如栽种芦苇、虉草、香蒲等植物的人工湿地脱氮效果相对较好，脱氮效率通常在50%~90%。研究者们推测这主要与不同植物的根系泌氧能力和根系分泌物的作用有关，分析原因可能是栽种人工湿地植物提高了系统微生物种群多样性，使系统内部存在共生、互利、共存、竞争等各种复杂的关系，在物质循环和能量转化过程中发挥着重要的作用，从而影响了对污染物的去除效果。
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人工湿地植物的根际效应
3.1
泌氧能力
植物根系泌氧是指湿地植物通过光合作用和大气吸收的氧气由根系直接释放到外界环境中。根据德国学者Kickuth的根区法理论，湿地挺水植物对氧气具有输送、释放、扩散作用，能够将空气中的氧转运到根部，再经过植物根部的扩散，在植物根须周围环境中依次出现好氧区、兼氧区和厌氧区，从而使人工湿地的填料和植物的表面存在大量的厌氧、好氧和兼性菌群。研究发现水生植物的泌氧速率远比空气中氧气向人工湿地液面扩散的速率大，因此湿地植物的泌氧功能对人工湿地降解污染物耗氧的补充量远大于由空气扩散所得氧量。
湿地植物的根系泌氧能力受到多种因素影响，如湿地植物根系特点、光照条件、基质特性等。不同湿地植物根系的通气组织构造有所差异，使得其根孔隙率也有所不同，导致植物对氧的输送、释放的能力不同。芦苇、菖蒲、风车草等常见的湿地植物的根具有纤维状的多孔结构，根孔隙率分别为40%、26%和32%，输氧泌氧能力也相对较强。Li等比较了黄菖蒲、灯心草、美人蕉等6种湿地植物，发现黄菖蒲的根系扎根较深，泌氧能力位列中等但表现出对水体中的总氮最好的净化效果。此外，湿地植物的泌氧能力还与光照强度有关，原因在于光照能够促进湿地植物的光合作用以及加快植物体与外界环境的气体交换速度，一般情况下植物光合作用速率最高时，植物泌氧速率最快。湿地基质作为根系泌氧的气体传输介质，其孔隙率、还原物质含量、重金属含量等也会影响根系泌氧速率。
3.2
根系分泌物
植物根系分泌物是指在一定生长条件下未被扰动的根释放到根际区域中的无机离子或小分子有机物的总称。根系分泌物的主要组成物质为糖、氨基酸、有机酸、甾类化合物及微量的生长物质等。植物根系分泌物的量及组成因植物种类而各异，目前已经发现的根系分泌物多达200种以上。这些根系分泌物以及细根的腐解为土壤补充了有机物，是刺激根际微生物繁殖的重要能源和养分源，对微生物的代谢及生产发育产生一定的影响，从而强化微生物矿化有机污染的速度。
植物根系分泌物的分泌过程主要受到植物种类、环境因素等影响。不同种类湿地植物所释放的根系分泌物存在较大差异。Zhai等发现黄菖蒲的根系分泌物释放率显著高于芦苇和灯心草，当碳源有限时，植物根系分泌物可作为补充碳源供给反硝化等反应的进行。唐利等人发现芦苇根系分泌物中糖:蛋白质:氨基酸=4.3:6:8，而对于香蒲来说其相应的比例为8:4:11,说明不同植物的根系分泌物存在物质组成比例的差异。植物根系分泌物的释放一方面会影响微生物种群结构，另一方面会通过微生物生命活动间接影响其向外界环境的分泌。Al-Baldawi等研究发现在人工湿地中注入根际细菌(Bacillus aquimaris, Bacillus anthracis 和 Bacillus cereus)能够减缓石油烃类化合物对植物生长的压力，从而促进人工湿地植物藨草的生长，进而提高石油烃的降解效果。
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湿地植物根际效应对根系微生物的影响研究
4.1
根际微生物的研究方法
基于人工湿地微生物在污染物降解过程中的重要作用，近年来人们开始关注人工湿地系统中根际微生物的数量、活性、功能与结构等研究。其中，人工湿地根际微生物数量和活性作为评价污染物去除效率的参考指标最为常用，而微生物的活性特征和群落结构是根际微生物研究的热点内容。微生物的数量研究可以采用传统平板培养计数法、染色法、流式细胞仪等；微生物活性的研究可以根据目标要求测试相应的酶活性变化来反映，如硝化反硝化强度测试、氧气利用速率、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荧光原位杂交技术(FISH)、定量PCR、蛋白质组学等；微生物的代谢特征可以采用BIOLOG微平板法来分析微生物对不同种类碳源的利用情况；微生物种群结构的研究近年来成为研究热点，特别是近年来发展迅速的分子生物学法为种群多样性的分析提供了技术基础。
目前用于研究微生物种群结构的分子生物学技术主要包括微生物磷脂脂肪酸分析（FAME/PLFA）、变性梯度凝胶电泳(DGGE/TGGE/TTGE)、454 焦磷酸测序、Illumina Miseq等。由于DGGE等分子指纹图谱技术，只能反映出样品中少数优势菌的信息，而且无法对样品中的微生物做到绝对定量。近年来第二代高通量测序技术得到迅速的发展，可以同时对样品中的优势物种、稀有物种及一些未知的物种进行检测，获得样品中的微生物群落组成，并将其含量进行数字化，其凭借低成本、高通量、流程自动化的优势为研究微生物群落结构提供了新的技术平台。在进行根际微生物的研究工作中，建议结合研究目标以及实际情况，选择相应方法进行组合应用。
4.2
湿地植物对微生物活性及降解性能的影响
湿地植物的根际效应为人工湿地微生物的生长提供了必要的营养与能量。与未种植植物的湿地系统相比，种植植物的湿地系统其微生物数量、种类及氧化还原势有很大差别。大多数水生植物的根系主要集中在0~20 cm的基质区域，在这一区域内微生物数量随着深度的增加而减小。不同类型和功能的微生物群落分布也与根系区域紧密相关。不同种类水生植物会影响其根际微生物数量和活性，例如香蒲根际微生物的数量大于芦苇；气温对植物的影响显著，冬季低温期间芦苇根系仍然有一定活性，因此其根际效应优于扁秆藨草和茭白的活性，好氧菌保持较高比例。
众多研究表明，湿地植物根际效应通过提高微生物的活性或数量，从而提高了微生物对土壤环境中农药、多环芳烃化合物等有机污染、重金属污染以及营养元素等的降解去除效果，见表1所示。以有机氯农药为例，研究者发现添加苏丹草(Sorghum sudanense)根系分泌物浓缩液，可以使得根际土壤有机氯农药（包括DDT、HCB、狄氏剂等多种混合物）去除率高达79.21%，比对照组提高了36.43%。采用盆栽根袋培养法栽种狼尾草(Pennisetum)培养28d后，发现根际土壤的阿特拉津去除率为52.7%，显著高于对照组(37.6%)，分析原因这与狼尾草根际效应提高了土壤细菌、真菌和放线菌的数量和活性有关。对于土壤中多环芳烃的降解修复，同样发现三叶草(Trifolium repens)根系分泌物的添加达到35.5 mg/L时，使细菌加氧酶基因拷贝数明显增加，从而促进了微生物对芘和苯并芘的降解。王燕等进一步研究还发现污染土壤中芘的根际降解存在距离根系不同远近的差异，种植黑麦草(Lolium perenne L.)后芘降解的整体趋势表现为近根层>根生长层>远根层，这与土壤微生物量、脱氢酶活性以及多酚氧化酶活性等存在相关性。除有机物外，考察了复合垂直流人工湿地对于无机含镉废水的处理（运行时间为24 h，水力负荷为600 mm/d），种植美人蕉-红蛋(Canna indica-Echinodorus osiris)的人工湿地系统优于彩叶草-风车草(Coleus bleumei benth- Cyperus alternifolius)人工湿地系统，微生物数量和酶活性的垂直分布为0~5 cm>5~15 cm>15~20 cm。在营养元素的去除方面，Wu等在人工湿地中(砾石为基质，HRT=2 d)添加人工合成的低分子量根系分泌物，发现添加有机酸和溶解性糖使总氮的去除率提高47.1%~58.67%。
表1 常见湿地植物根际效应对污染物降解去除性能的影响
4.3
湿地植物对微生物种类及多样性的影响
人工湿地工艺根际微生物的多样性对于复合型污染水体多种污染物的去除效果具有重要的影响。微生物的多样性既包括细菌、真菌、放线菌等差异，又包括同一个菌群中不同菌属的差异。江福英等研究美人蕉、香蒲、垂穗莎草和玉带草对根际微生物和非根际微生物的影响，发现根际和非根际间的细菌数量无明显差异，而真菌与放线菌差异较显著；香蒲根际硝化细菌数和反硝化菌数最多。针对微生物多样性的研究，Biolog-Eco微平板法、PLFA、PCR-DGGE技术以及高通量测序技术应用的较多。赵良元等采用Biolog-Eco微平板法研究水生植物菖蒲的生长对沉积物中的微生物多样性的影响，发现菖蒲根际微生物总活性(AWCD)、微生物多样性指数(包括Shannon-Wiener 指数、丰富度指数及Pielou均匀度指数)均显著高于非根际沉积物。赵庆节等采用PCR-DGGE技术对五种人工湿地植物根际细菌多样性进行分析发现不同植物根际土壤具有类似的DNA图谱，聚类分析显示根际土壤微生物具有很高的相似性。Zhu等采用PLFA对六种不同种植方式的人工湿地根际微生物种群进行分析发现具有显著差异，分析原因可能与真菌丰度有关。
不同湿地植物对微生物群落多样性以及空间分布影响的程度不同。芦苇是研究较多的人工湿地植物，武钰坤等对占地面积15亩的人工湿地（处理水量350 m3/d，150 mm种植土和200 mm粗砂）中不同植物根际效应进行了研究，发现芦苇(Phragmites australis)根际具有最大的物种均匀性，根际与根区多样性指数差别最大。陆松柳等采用植物水培方式对植物根系分泌物（以溶解性有机物DOC来表示）进行研究，发现千屈菜(Lythrum salicaria Linn)、茭白(Zizania caduciflora)、美人蕉(Canna indica)的根系分泌物能力分别是1.29 mg/g·d、0.59 mg/g·d和0.53 mg/g·d，采用3-D荧光光谱表征发现茭白根系分泌物中可能存在某些占优势比例的有机物；根系分泌物的差异使得湿地后端微生物多样性存在不同，从而影响了人工湿地处理能力。在复合垂直流人工湿地处理农田退水研究中（HRT=3 d），种植旱伞竹的上行池下层的陶粒和分子筛基质的OUT(Operation Taxonomy Unit)数目高于种植美人蕉。因此，在人工湿地设计中，需结合人工湿地构型合理选择适宜性植物进行种植以增强根际微生物的多样性。
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结论
人工湿地技术作为一种生态处理技术具有投资低、耗能低以及运行管理简单的优势，强化人工湿地植物的根际效应对于提高人工湿地微生物的活性和功能发挥起着重要作用。在人工湿地工艺研究中，采用多种方法揭示湿地植物泌氧能力与根系分泌物能力对于微生物种群的影响具有十分重要研究意义；在人工湿地工艺设计中，通过合理配置人工湿地植物、优化操作工艺来强化根际效应有助于提高人工湿地对污染物的去除效率。
推荐参考
裘湛.人工湿地植物根际效应对根部微生物影响的研究进展[J].净水技术,2018,37(7):26 -30.
Qiu Zhan. Research advances in rhizosphere effect of constructed wetland plants on root microorganism[J]. Water Purification Technology, 2018, 37(7):26 -30.
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