人工濕地植物根際效應對根部微生物影響的研究進展

裘 湛

(上海城投污水處理有限公司，上海 201203)

1 人工濕地技術工藝原理

人工濕地技術是以自然濕地為基礎建造的，由基質、植物和微生物組成的復合生態系統。根據污水在濕地床中的流動形式，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]。作為一種生態處理技術，與傳統的物理方法和化學方法相比，人工濕地技術具有投資低、運行費用少和運行耗能低的優勢。近年來，人工濕地技術已經被廣泛用來處理城市生活污水、工業廢水、城市暴雨徑流、富營養化湖泊等水體，并取得了良好的效果[2]。

人工濕地通過基質、植物、微生物三者之間一系列的物理、化學和生物作用實現對有機物、營養元素、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污染物的降解以及氮磷的去除中發揮了重要作用。在人工濕地根際微生物的作用下，污染物最終被降解、轉化為水生植物及微生物可以吸收的營養物質或釋放到環境中[2]。在此過程中，異養細菌通過分解有機物為更高級的消費者提供能源，從而推動整個復雜生態系統的發展。同時，人工濕地的植物也為異氧微生物代謝作用的發揮提供了必要的營養與能量[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中的作用主要包含三個方面。其一，濕地植物在系統中起到固定床體表面、過濾截留污水中的懸浮物、防止淤泥堵塞、冬季運行時支撐冰面等作用；其二，濕地植物能夠從待處理污水中吸收營養物質作為自身生長所需的營養源[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，會對系統微生物活性、種群多樣性以及功能產生顯著影響。

常用于人工濕地系統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]，而濕地系統中的主要微生物以細菌為主，放線菌次之，真菌較少[6]。張甲耀等[7]研究不同植物構成的潛流型人工濕地處理系統的凈化能力及其異養細菌數量，發現在蘆葦濕地中有假單胞菌屬、無色桿菌屬、不動桿菌屬、黃桿菌屬、黃單胞菌草屬、短桿菌屬、節桿菌屬、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、無色桿菌屬和不動桿菌屬細菌是優勢菌。諸多研究證實栽種植物的人工濕地其基質上的細菌數量比未栽種的高1～2個數量級[8-9]。種植不同植物的人工濕地，對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較好，脫氮效率通常在50%～90%[8]。研究者們推測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[10]，分析原因可能是栽種人工濕地植物提高了系統微生物種群多樣性，使系統內部存在共生、互利、共存、競爭等各種復雜的關系，在物質循環和能量轉化過程中發揮著重要的作用，從而影響了對污染物的去除效果。

3 人工濕地植物的根際效應

3.1 泌氧能力

植物根系泌氧是指濕地植物通過光合作用和大氣吸收的氧氣從根系直接釋放到外界環境中。根據德國學者Kickuth的根區法理論，濕地挺水植物對氧氣具有輸送、釋放、擴散作用，能夠將空氣中的氧轉運到根部，再經過植物根部的擴散，在植物根須周圍環境中依次出現好氧區、兼氧區和厭氧區，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]。研究發現水生植物的泌氧速率遠比空氣中氧氣向人工濕地液面擴散的速率大，因此濕地植物的泌氧功能對人工濕地降解污染物耗氧的補充量遠大于由空氣擴散所得氧量。

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、光照條件、基質特性等。不同濕地植物根系的通氣組織構造有所差異，其根孔隙率也有所不同[12]，導致植物對氧的輸送、釋放的能力不同。蘆葦、菖蒲、風車草等常見的濕地植物的根具有纖維狀的多孔結構，根孔隙率分別為40%、26%和32%[13]，輸氧泌氧能力也相對較強。Li等[14]比較了黃菖蒲、燈心草、美人蕉等6種濕地植物，發現黃菖蒲的根系扎根較深，泌氧能力位列中等，但表現出對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度有關，原因在于光照能夠促進濕地植物的光合作用以及加快植物體與外界環境的氣體交換速度，一般情況下植物光合作用速率最高時，植物泌氧速率最快。濕地基質作為根系泌氧的氣體傳輸介質，其孔隙率、還原物質含量、重金屬含量等也會影響根系泌氧速率。

3.2 根系分泌物

植物根系分泌物是指在一定生長條件下未被擾動的根釋放到根際區域中的無機離子或小分子有機物的總稱[15]。根系分泌物的主要組成物質為糖、氨基酸、有機酸、甾類化合物和微量的生長物質等。植物根系分泌物的量和組成因植物種類而各異，目前已經發現的根系分泌物多達200種以上。這些根系分泌物以及細根的腐解為土壤補充了有機物，是刺激根際微生物繁殖的重要能源和養分源，對微生物的代謝及生產發育產生一定的影響，從而強化微生物礦化有機污染的速度[16]。

植物根系分泌物的分泌過程主要受植物種類、環境因素等的影響。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]發現黃菖蒲的根系分泌物釋放率顯著高于蘆葦和燈心草，當碳源有限時，植物根系分泌物可作為補充碳源供給反硝化等反應的進行。唐利等[19]發現蘆葦根系分泌物中糖 ∶蛋白質 ∶氨基酸=4.3∶6∶8，而對于香蒲來說，其相應的比例為8∶4∶11,說明不同植物的根系分泌物存在物質組成比例的差異[19]。植物根系分泌物的釋放一方面會影響微生物種群結構，另一方面會通過微生物生命活動間接影響其向外界環境的分泌[20]。Al-Baldawi等[21]研究發現，在人工濕地中注入根際細菌(Bacillusaquimaris、Bacillusanthracis和Bacilluscereus)能夠減緩石油烴類化合物對植物生長的壓力，從而促進人工濕地植物藨草的生長，進而提高石油烴的降解效果。

4 濕地植物根際效應對根系微生物的影響

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程中的重要作用，近年來人們開始關注人工濕地系統中根際微生物的數量、活性、功能與結構等[22]。其中，人工濕地根際微生物數量和活性作為評價污染物去除效率的參考指標最為常用，而微生物的活性特征和群落結構是根際微生物研究的熱點[20-23]。微生物的數量可以采用傳統平板培養計數法、染色法、流式細胞儀等；微生物的活性可以根據目標要求測試相應的酶活性變化，如硝化反硝化強度測試、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(FISH)、定量PCR、蛋白質組學等；微生物的代謝特征可以采用BIOLOG微平板法來分析微生物對不同種類碳源的利用情況；微生物種群結構的研究近年來成為研究熱點，特別是近年來發展迅速的分子生物學法為種群多樣性的分析提供了技術基礎[24]。

目前，用于研究微生物種群結構的分子生物學技術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 焦磷酸測序、Illumina Miseq等[20]。但DGGE等分子指紋圖譜技術，只能反映樣品中少數優勢菌的信息，無法對樣品中的微生物做到絕對定量。近年來第二代高通量測序技術得到迅速的發展，可以同時對樣品中的優勢物種、稀有物種和一些未知的物種進行檢測，獲得樣品中的微生物群落組成，并將其含量進行數字化，其憑借低成本、高通量、流程自動化的優勢為研究微生物群落結構提供了新的技術平臺[25]。在進行根際微生物的研究工作中，建議結合研究目標和實際情況選擇相應方法進行組合應用。

4.2 濕地植物對微生物活性及降解性能的影響

濕地植物的根際效應為人工濕地微生物的生長提供了必要的營養與能量。與未種植植物的濕地系統相比，種植植物的濕地系統其微生物數量、種類及氧化還原勢有很大差別。大多數水生植物的根系主要集中在0～20 cm的基質區域，在這一區域內微生物數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域緊密相關。不同種類水生植物會影響其根際微生物數量和活性，例如香蒲根際微生物的數量大于蘆葦[19]；氣溫對植物的影響顯著，冬季低溫期間蘆葦根系仍然有一定活性，因此其根際效應優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，濕地植物根際效應通過提高微生物的活性或數量，從而提高微生物對土壤環境中農藥、多環芳烴化合物等有機污染、重金屬污染以及營養元素等的降解去除效果，如表1所示。以有機氯農藥為例，研究者發現添加蘇丹草(Sorghumsudanense)根系分泌物濃縮液，可以使根際土壤有機氯農藥(包括DDT、HCB、狄氏劑等多種混合物)去除率高達79.21%，比對照組提高了36.43%[26]。采用盆栽根袋培養法栽種狼尾草(Pennisetum)培養28 d后，發現根際土壤的阿特拉津去除率為52.7%，顯著高于對照組(37.6%)，這與狼尾草根際效應提高了土壤細菌、真菌和放線菌的數量和活性有關[27]。對于土壤中多環芳烴的降解修復，同樣發現三葉草(Trifoliumrepens)根系分泌物的添加達到35.5 mg/L時，細菌加氧酶基因拷貝數明顯增加，從而促進了微生物對芘和苯并芘的降解[28]。王燕等[29]進一步研究還發現，污染土壤中芘的根際降解存在距離根系不同遠近的差異，種植黑麥草(LoliumperenneL.)后，芘降解的整體趨勢表現為近根層>根生長層>遠根層，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性。除有機物外，考察了復合垂直流人工濕地對無機含鎘廢水的處理(運行時間為24 h，水力負荷為600 mm/d)，種植美人蕉-紅蛋(Cannaindica-Echinodorusosiris)的人工濕地系統優于彩葉草-風車草(Coleusbleumeibenth-Cyperusalternifolius)人工濕地系統，微生物數量和酶活性的垂直分布為0～5 cm>5～15 cm>15～20 cm[30]。在營養元素的去除方面，Wu等[31]在人工濕地中(礫石為基質，HRT=2 d)添加人工合成的低分子量根系分泌物，發現添加有機酸和溶解性糖可使總氮的去除率提高47.1%～58.67%。

表1 常見濕地植物根際效應對污染物降解去除性能的影響

4.3 濕地植物對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復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菌、真菌、放線菌等差異，又包括同一個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根際微生物和非根際微生物的影響，發現根際和非根際間的細菌數量無明顯差異，而真菌與放線菌差異較顯著；香蒲根際硝化細菌數和反硝化菌數最多。針對微生物多樣性的研究，Biolog-Eco微平板法、PLFA、PCR-DGGE技術以及高通量測序技術應用的較多。趙良元等[33]采用Biolog-Eco微平板法研究水生植物菖蒲的生長對沉積物中微生物多樣性的影響，發現菖蒲根際微生物總活性(AWCD)、微生物多樣性指數(包括Shannon-Wiener 指數、豐富度指數及Pielou均勻度指數)均顯著高于非根際沉積物。趙慶節[34]采用PCR-DGGE技術對五種人工濕地植物根際細菌多樣性進行分析，發現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對六種不同種植方式的人工濕地根際微生物種群進行分析，發現具有顯著差異，分析原因可能是與真菌豐度有關。

不同濕地植物對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進行了研究，發現蘆葦(Phragmitesaustralis)根際具有最大的物種均勻性，根際與根區多樣性指數差別最大。陸松柳等[37]采用植物水培方式對植物根系分泌物(以溶解性有機物DOC來表示)進行研究，發現千屈菜(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熒光光譜表征發現，茭白根系分泌物中可能存在某些占優勢比例的有機物；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。在復合垂直流人工濕地處理農田退水研究中(HRT=3 d)，種植旱傘竹的上行池下層的陶粒和分子篩基質的OUT(operation taxonomy unit)數目高于種植美人蕉[38]。因此，在人工濕地設計中，需結合人工濕地構型合理選擇適宜性植物進行種植，以增強根際微生物的多樣性。

5 結論

人工濕地技術作為一種生態處理技術具有投資低、耗能低以及運行管理簡單的優勢，強化人工濕地植物的根際效應對于提高人工濕地微生物的活性和功能發揮起著重要作用。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；在人工濕地工藝設計中，通過合理配置人工濕地植物、優化操作工藝來強化根際效應，有助于提高人工濕地對污染物的去除效率。