浮水植物-底泥-微生物系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體氮的凈化作用

鄔淑婷,周之棟,華建峰,殷云龍,薛建輝

〔江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所(南京中山植物園),江蘇 南京 210014〕

湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化已成為水環(huán)境污染的一個(gè)重要問(wèn)題，其主要原因是城市生活污水，造紙、煉鋼等工業(yè)廢水以及農(nóng)藥和化肥等地表污染物，包含了大量有機(jī)物和無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[1]。這些物質(zhì)進(jìn)入水體后，為藻類(lèi)及浮游生物提供了充足的生長(zhǎng)條件，使其迅速繁殖，造成水體溶解氧不斷下降，導(dǎo)致水質(zhì)不斷惡化[2-3]。根據(jù)《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》，2017年度農(nóng)業(yè)廢水、生活廢水和工業(yè)廢水中總氮(TN)含量占比分別為46.61%、48.26%和5.13%，總磷(TP)含量分別為67.24%、30.26%和2.51%[4]。構(gòu)建人工濕地以進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)已成為熱點(diǎn)研究。水生植物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是調(diào)節(jié)水質(zhì)、減緩水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要載體[5-7]。水生植物不僅能夠通過(guò)吸收環(huán)境中N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為自身可利用的物質(zhì)；也可以通過(guò)向外界排放化感物質(zhì)，控制藻類(lèi)的繁殖代謝[8]；還能夠?yàn)槲⑸锾峁┻m宜的生活環(huán)境。微生物的存在對(duì)水生態(tài)環(huán)境的修復(fù)至關(guān)重要[9-10]，其主要通過(guò)硝化-反硝化作用對(duì)人工濕地產(chǎn)生脫氮效應(yīng)[11-14]。同樣，底泥能夠通過(guò)截留與沉降作用，去除富營(yíng)養(yǎng)水體中的N、P等[15]。

根據(jù)水生植物的生活方式，一般將其分為挺水植物、浮水植物和沉水植物。對(duì)蘆葦(Hragmitescommunis)、黃花鳶尾(Iriswilsonii)及菖蒲(Acoruscalamus)等挺水植物的研究表明，其對(duì)試驗(yàn)水體氨氮(NH4+-N)的去除率均在90%以上，對(duì)TN的去除率也不低于75%，其中黃花鳶尾對(duì)TN的去除效果較好[12]。劉會(huì)等[16]對(duì)沉水植物的研究發(fā)現(xiàn)，竹葉眼子菜(Potamogetonintortifolius)、黑藻(Hydrillaverticillata)及苦藻(Vallisnerianatans)對(duì)水體TN的去除效果較好。與挺水和沉水植物相比，浮水植物水深適應(yīng)范圍廣，繁殖迅速，去除N、P能力強(qiáng)，又能遮蔽射入水中的陽(yáng)光，抑制水體中藻類(lèi)的生長(zhǎng)，更便于種植、收割和日常管理，一直是人工濕地構(gòu)建過(guò)程中重要的植物類(lèi)型[17]?；比~萍(Salvinianatans)及浮水蓮(Eichhorniacrassipes)對(duì)TN的去除效果較好，對(duì)提高水體透明度效果也較佳[18]。除了水生植物直接吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外，有研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合微生物對(duì)豬場(chǎng)糞污水NH4+-N有明顯的削減效果，去除率可達(dá)60%以上[19]。在好氧微生物的脫氮作用下，底泥釋放的總氮和硝氮的去除率分別高達(dá)75.87%和79.96%，底泥內(nèi)源氮污染得到有效的控制[20]。此外，添加微生物菌劑的生物強(qiáng)化系統(tǒng)對(duì)模擬城市污水中NH4+-N和TN的去除率分別提高了56.06%和70.56%，表明微生物作用能夠顯著改善模擬城市污水系統(tǒng)的運(yùn)行效果和穩(wěn)定性[21]。

水生植物具有根系量大且發(fā)達(dá)的特征，能夠與微生物進(jìn)行協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)濕地生態(tài)系統(tǒng)的高效凈化[22]。有研究表明，水生植物通過(guò)根系釋放氧氣與分泌物增加環(huán)境體系內(nèi)的溶解氧與有機(jī)質(zhì)，由于能量及養(yǎng)分源充足，微環(huán)境適宜微生物的生長(zhǎng)，進(jìn)而提高了底泥中微生物活性與新陳代謝，促進(jìn)了富營(yíng)養(yǎng)化水體C、N和P的循環(huán)[23-24]。對(duì)杭州西溪濕地挺水、浮水、沉水等濕生植物的研究發(fā)現(xiàn)，其底泥具有很高的細(xì)菌多樣性，且最優(yōu)勢(shì)的菌群均為變形菌門(mén)(Proteobacteria)，在這些類(lèi)群中具有大量與N、S、P等代謝相關(guān)的菌群，對(duì)濕地底泥的元素循環(huán)有重要作用[25]。此外，人工濕地種植的蘆葦與香蒲(Typhaorientalis)的根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有一定的差別，表現(xiàn)為蘆葦根際細(xì)菌群落豐富度及多樣性均高于香蒲根際，優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種群大多以變形菌門(mén)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)及厚壁菌門(mén)(Firmicutes)為主[26]。

構(gòu)建人工濕地，通過(guò)植物-底泥-微生物之間的協(xié)同作用[11]，不僅能修復(fù)生態(tài)環(huán)境[27]，也能達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的目的[28-29]。然而，現(xiàn)有大部分報(bào)道集中于研究單獨(dú)栽種植物或是添加微生物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化作用，或者植物對(duì)底泥微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，從而間接表明微生物在水體凈化中的重要作用，但鮮有將植物-底泥-微生物作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)研究各途徑在富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化中發(fā)揮的作用。因浮水植物具有水深適應(yīng)范圍廣、吸收能力突出且易于收割等特性，以水龍(Ludwigiaadscendens)等華東地區(qū)常見(jiàn)的浮水植物為對(duì)象，采集池塘底泥，通過(guò)植物種植試驗(yàn)和底泥滅菌試驗(yàn)，研究植物-底泥-微生物系統(tǒng)中不同途徑對(duì)不同富營(yíng)養(yǎng)化程度水體N的凈化作用，為濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選擇華東地區(qū)水域常見(jiàn)的水龍、荇菜(Nymphoidespeltata)、睡蓮以及水金英(Hydrocleysnymphoides)4種浮水植物作為研究對(duì)象。所選植物均采購(gòu)自宜興市龍鼎實(shí)業(yè)有限公司種植基地，且生長(zhǎng)狀況良好、形狀統(tǒng)一，試驗(yàn)前在自來(lái)水中統(tǒng)一馴化培養(yǎng)7 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所(南京中山植物園)試驗(yàn)溫室內(nèi)(32°03′ N，118°49′ E)進(jìn)行。預(yù)先向花盆(內(nèi)徑35 cm，高45 cm)內(nèi)填充10 kg取自南京中山植物園池塘的底泥，底泥理化性質(zhì)：w(TN)為2.371 mg·g-1，w〔有機(jī)碳(IN)〕為31.101 mg·g-1，w(有機(jī)質(zhì))為53.618 mg·g-1，w(NH4+-N)為0.031 mg·g-1，w(無(wú)機(jī)氮)為0.058 mg·g-1。

補(bǔ)充35 L河水(包括底泥，水深約40 cm)并充分混合靜置后，加入由硝酸銨(NH4NO3)配制成的3種不同TN質(zhì)量濃度(2、10、20 mg·L-1)的富營(yíng)養(yǎng)化水體。然后，將生長(zhǎng)狀態(tài)良好、外形一致(植株大小、形狀、葉數(shù)、葉色等)、鮮重接近的植株用自來(lái)水洗凈后種植在花盆內(nèi)。同時(shí)，設(shè)置不種植任何植物的花盆作為空白對(duì)照(CK)。每個(gè)處理各設(shè)4個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列于溫室內(nèi)。試驗(yàn)周期為2019年6月6日—2019年7月16日。試驗(yàn)期間，向各處理花盆內(nèi)定期加入新鮮自來(lái)水補(bǔ)充水分蒸發(fā)流失，以保持水位一致。

為了研究微生物在富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化中的作用，取與上述試驗(yàn)相同的原始池塘底泥，部分經(jīng)2次高壓滅菌(121 ℃，1 h)以去除體系內(nèi)微生物，另一部分則未滅菌。分別向花盆(內(nèi)徑15 cm，高20 cm)內(nèi)填充1 kg原始底泥(US)或滅菌底泥(S)，分別補(bǔ)充2 L自來(lái)水或滅菌水(包括底泥，水深約15 cm)并充分混合靜置后，加入由NH4NO3配制成的3個(gè)不同TN質(zhì)量濃度(3、10、15 mg·L-1)的富營(yíng)養(yǎng)化水體。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列于溫室內(nèi)。試驗(yàn)周期為2019年9月6日—2019年9月16日。試驗(yàn)期間，向各處理花盆內(nèi)分別定期加入新鮮自來(lái)水或無(wú)菌水，補(bǔ)充蒸發(fā)流失以保持水位一致。

1.3 樣品采集

試驗(yàn)開(kāi)始后，在第1、10、20、30、40天分別采集10 mL水樣測(cè)定TN、NH4+-N、NO3--N濃度。試驗(yàn)前后，取花盆內(nèi)底泥并測(cè)定其干樣TN及鮮樣IN含量。植物收獲后，將根與莖葉分開(kāi)，用蒸餾水洗凈后，烘箱內(nèi)烘干(80 ℃)24 h，測(cè)定干重。將植物及風(fēng)干底泥樣品采用研磨機(jī)粉碎，植物過(guò)0.25 mm孔徑篩，底泥過(guò)0.15 mm孔徑篩后密封于自封袋，用于植物及底泥N含量的測(cè)定。同時(shí)取根際底泥，用于測(cè)定微生物的相關(guān)指標(biāo)。

底泥滅菌試驗(yàn)開(kāi)始后，在第1、3、5、7、9、11天分別采集10 mL水樣測(cè)定TN、NH4+-N、NO3--N含量。試驗(yàn)前后，取花盆內(nèi)底泥并測(cè)定其鮮樣IN含量。

1.4 樣品測(cè)定

水體TN、NH4+-N、NO3--N及NO2--N濃度均使用流動(dòng)分析儀(De Breda,荷蘭)測(cè)定[30]。植物樣品中的N含量采用濃H2SO4-H2O2消解，凱氏定氮法測(cè)定[31]。同時(shí)選用土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品(GSS-3)及植物標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW07603)控制分析的準(zhǔn)確性。底泥IN含量通過(guò)Bremner氯化鉀法提取后，使用流動(dòng)分析儀測(cè)定。

水體N去除率和底泥N去除率(積累率)[32]的計(jì)算方法為

ηw=(C0-Ci)/C0×100%，

(1)

ηs=(Ci-C0)/C0×100%。

(2)

式(1)～(2)中，ηw為富營(yíng)養(yǎng)水體中N的去除率，%；C0為測(cè)定指標(biāo)的起始濃度，mg·L-1；Ci為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)定指標(biāo)的濃度，mg·L-1；ηs為底泥TN和IN的積累率(正值)或去除率(負(fù)值)，%。

細(xì)菌DNA經(jīng)抽提、濃度和純度檢測(cè)后，對(duì)其16S rRNA V3-V4區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。選用引物為515F(5′-GTGYCAGCMGCCGCGGTAA-3′)和806R(5′-GGACTACNVGG GTWTCTAAT-3′)[10]。在廣東美格基因科技有限公司進(jìn)行Illumina HiSeq高通量測(cè)序。測(cè)序數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)質(zhì)量篩選，利用Usearch軟件以97%相似性水平進(jìn)行操作分類(lèi)單元(operational taxonomic unit，OTU)劃分，對(duì)比Silva數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分類(lèi)學(xué)分析。采用R語(yǔ)言計(jì)算Chao、Simpson和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 25.0軟件處理，作圖采用Origin 9.1及Excel 2016軟件，部分參數(shù)比較差異進(jìn)行單因素方差(One-way ANOVA)及單樣本的T檢驗(yàn)(t-test)分析,多重比較選用Duncan新復(fù)極差方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體N濃度的變化

40 d的生長(zhǎng)期內(nèi)，低N水體中，水金英、荇菜和睡蓮處理組TN去除率分別為82.70%、64.25%和65.98%；水龍?zhí)幚斫M與對(duì)照組對(duì)TN的去除效果較差，且顯著低于水金英組(P<0.05)。中N水體中，荇菜處理組TN去除率最高(92.43%)，且顯著高于對(duì)照(P<0.05)；其他植物處理組(除睡蓮組)TN去除率均達(dá)90%以上，但與對(duì)照組相比并無(wú)顯著性差異。在高N水體中，對(duì)照組和處理組TN去除率均達(dá)94%，尤其是荇菜處理組，去除率為96.18%，顯著高于其他處理組(P<0.05)。由此可知，在低N水體中水金英去除效果最佳；中、高N水體中去除率為荇菜>水金英>水龍>睡蓮。總體上，高N水體中TN的去除率高于其他富營(yíng)養(yǎng)化水體(圖1)。

試驗(yàn)前10 d內(nèi)，各處理組水體ρ(NH4+-N)迅速下降，其中低N水體以荇菜、睡蓮處理組的去除率最高，分別達(dá)92.78%和90.48%；而中、高N水體中，植物處理組在前10 d內(nèi)去除率均高于96%，對(duì)照組去除率也高達(dá)94.15%。同樣，各處理組水體ρ(NO3--N)大幅下降。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，所有處理組NO3--N去除率均達(dá)98.28%以上，ρ均低于0.35 mg·L-1，且各植物處理組(除睡蓮組外)之間無(wú)顯著差異。

2.2 浮水植物對(duì)N的積累

隨著N濃度的升高，水龍各部位生物量逐漸減少，而荇菜莖葉生物量呈增加的趨勢(shì)；水金英根生物量在中N水體中顯著低于高N水體(P<0.05)；同一N濃度系統(tǒng)中，睡蓮組植株生物量最高(除中N荇菜組外)，且在低、高N水體中顯著高于中N水體(P<0.05)(表1)。

表1 不同N濃度下植株生物量與氮含量Table 1 Plant biomass and N contents of 4 plants under different N concentrations

植物莖葉的w(N)為23.33～59.62 mg·g-1，高于根部(10.19～16.81 mg·g-1)。相比于中、高N水體，低N水體中水龍?zhí)幚斫M植株的N積累量更多。睡蓮處理組更適應(yīng)在高N環(huán)境中生長(zhǎng)，不僅生物量顯著高于其他植物(P<0.05)，且其對(duì)N的積累率也最高。

2.3 底泥N含量的變化

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，底泥w(TN)為2.02～2.75 mg·g-1，且在不同N水體中及處理之間無(wú)顯著差異。對(duì)照組在任何N水體中均表現(xiàn)出對(duì)IN的積累效應(yīng)，而植物組低N及中N水體中底泥IN均有所去除，低N水體中去除效果依次為荇菜>睡蓮>水龍>水金英，中N水體中荇菜>睡蓮>水金英>水龍；但高N水體中IN呈現(xiàn)出積累趨勢(shì)(表2)。

表2 不同處理?xiàng)l件下底泥N含量Table 2 Contents of N in sediments of different systems

2.4 微生物對(duì)N去除的影響

微生物處理下，3種N水體中的TN濃度隨著時(shí)間的推移而降低，而滅菌組水體TN濃度在第1天有所升高，試驗(yàn)?zāi)┢诰€(wěn)定在10～12 mg·L-1。除中N水體的第5和7天外，滅菌組3種N水體TN濃度均顯著高于有菌組(P<0.05，圖2)。試驗(yàn)初期，滅菌組3種N水體NO2--N和NO3--N濃度高于有菌組，但隨著時(shí)間的推移，其濃度與有菌組趨于一致，均低于0.6 mg·L-1。有菌組水體NH4+-N濃度自試驗(yàn)開(kāi)始一直呈減少趨勢(shì)，并在7 d后基本被去除；而滅菌組水體NH4+-N濃度在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)均顯著高于有菌組(P<0.05)，最終ρ分別為7.84、9.37和9.73 mg·L-1。

滅菌組底泥IN含量顯著高于有菌組(P<0.05)，為有菌組的5～8倍，且不同N水體之間基本無(wú)差異。

2.5 植物根際微生物的變化

低N水體中各植物組Chao1指數(shù)大于對(duì)照組(睡蓮組除外)，且水龍>水金英>荇菜；中N水體荇菜組和睡蓮組大于對(duì)照組，而水龍組和水金英組則低于對(duì)照組。高N水體中，所有植物組均小于對(duì)照組。Shannon指數(shù)在7.15～7.35之間，Simpson指數(shù)在0.99以上浮動(dòng)，各水體之間并沒(méi)有顯著差異(表3)。

表3 植物根際底泥細(xì)菌α多樣性指數(shù)Table 3 α diversity index of bacteria in rhizosphere soil

各水體中優(yōu)勢(shì)菌均為變形菌門(mén)，平均相對(duì)豐度為41.28%，其次為綠彎菌門(mén)(Chloroflexi,17.56%)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes，9.38%)、綠菌門(mén)(Chlorobi，4.76%)、疣微菌門(mén)(Verrucomicrobia，4.19%)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria,3.93%)和硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospirae，2.63%)(圖3)。低N濃度處理下，所有植物組變形菌門(mén)和硝化螺旋菌門(mén)相對(duì)豐度均高于對(duì)照組。此外，除了荇菜在中、高N濃度處理以及睡蓮在高N濃度處理外，其余各植物組硝化螺旋菌門(mén)均高于對(duì)照組。低、中N濃度處理下荇菜組及高N濃度處理下睡蓮組中，綠彎菌門(mén)相對(duì)豐度均高于對(duì)照組，但無(wú)顯著性差異(圖3)。

在屬水平上，所測(cè)得的OTUs共552個(gè)門(mén)類(lèi)。平均相對(duì)豐度最高的為硫桿狀菌屬(Thiobacillus，12.59%)，其次為Sideroxydans(9.52%)、Ignavibacterium(6.40%)；平均相對(duì)豐度大于3%的屬還有脫硫桿菌屬(Desulfatiglans，3.86%)、螺桿菌屬(Sulfuricurvum，3.49%)、厭氧繩菌屬(Anaerolinea，3.45%)、Ferritrophicum(4.03%)、螺旋體屬(Spirochaeta，2.73%)和互營(yíng)菌屬(Syntrophus，3.11%)。但各處理之間微生物群落結(jié)構(gòu)差異并不顯著(圖4)。

3 討論

以往大量研究將植物在不添加底泥[33-35]的環(huán)境下進(jìn)行培養(yǎng)，其對(duì)水體N的去除效果顯著優(yōu)于對(duì)照組。筆者添加池塘底泥后發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組和植物組均具有較高的N去除率，而且大部分情況下兩者無(wú)顯著差異。40 d后，中、高N水體中TN去除率均高于87%，此外NH4+-N和NO3--N的去除率大部分也超過(guò)90%，高于大多數(shù)人工配置富營(yíng)養(yǎng)化水體的模擬試驗(yàn)[6,36]。

與劉利華等[37]的研究結(jié)果類(lèi)似，隨著水體N濃度的升高，水體N去除率也隨之增加。在水體N濃度水平較低的條件下，N是植物生長(zhǎng)的限制因子，而隨著水體N濃度的增加，植物生長(zhǎng)更快，吸收利用的N越多，對(duì)水體N的去除率也就越高[38]。在不同N濃度水體中，同一植物的最終生物量基本(除水龍及睡蓮?fù)?無(wú)明顯差異。但整體而言，睡蓮、荇菜、水金英對(duì)營(yíng)養(yǎng)的轉(zhuǎn)化吸收高于水龍，對(duì)N的積累也明顯較高?？梢?jiàn)，生物量是決定體系凈化能力的一個(gè)重要因素，植物凈增長(zhǎng)越高，其帶走體系內(nèi)的富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)就越多[33]。

此外，對(duì)照組雖然沒(méi)有因植物對(duì)N的吸收積累而產(chǎn)生N的消減作用，但其水體N的去除效率仍然較高。通過(guò)對(duì)底泥IN的分析發(fā)現(xiàn)，低N和中N水體中，對(duì)照組底泥IN含量顯著高于植物處理組。可見(jiàn)，低N和中N水體中部分N僅僅因?yàn)槌两底饔昧粼诘啄嘀?。李勝男等[39]通過(guò)對(duì)不同濕地植物N的研究發(fā)現(xiàn)，水體中TN濃度不僅依賴于植物積累，也與底泥的作用有關(guān)，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)內(nèi)，底泥與水體一直在進(jìn)行N的循環(huán)交換。周林飛等[40]通過(guò)是否添加底泥對(duì)6種植物水質(zhì)理化性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)底泥對(duì)水體N有一定的吸附作用。高N水體中植物組底泥IN含量低于對(duì)照組，但是兩者之間沒(méi)有顯著差異。整個(gè)系統(tǒng)的N濃度超出了植物對(duì)N的吸收范圍，呈現(xiàn)出底泥IN積累的趨勢(shì)。可見(jiàn)，植物對(duì)IN的吸收也有一定的限制。

濕地生態(tài)系統(tǒng)中的N除了通過(guò)植物直接吸收和沉降去除外[6,10,41-44]，微生物在其消減過(guò)程中也發(fā)揮著重要作用。大量研究表明，微生物的生命活動(dòng)可以將水體N通過(guò)其自身新陳代謝(包括硝化與反硝化以及氨的揮發(fā)等)以及高降解轉(zhuǎn)化作用去除[25]。水生植物的種植加速了水體-底泥-植物系統(tǒng)中底泥N的釋放，為底泥微生物提供了充足的N源，顯著提升了其活性及N循環(huán)菌的數(shù)量，促進(jìn)了系統(tǒng)內(nèi)的N循環(huán)[41]。劉丹丹等[42]通過(guò)模擬生態(tài)柱種植伊樂(lè)藻，同時(shí)添加固定化N循環(huán)菌系統(tǒng)，認(rèn)為沉水植物對(duì)微生物反硝化過(guò)程的促進(jìn)大于其本身對(duì)N的吸收作用。而且不同植物區(qū)的底泥微生物群落在豐富度和多樣性上均有所差異，而不同采樣點(diǎn)的相同植物類(lèi)型中，微生物群落組成較為相似，表明種植植物及植物種類(lèi)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)有顯著影響，且N濃度對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)有一定的影響[10]。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江口崇明東灘濕地微生物群落結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，就細(xì)菌16S rRNA 基因拷貝數(shù)而言，植被區(qū)底泥遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光灘區(qū)表層，且門(mén)水平中占比較高的綠彎菌門(mén)對(duì)底泥TN、NH4+-N和NO3--N較為敏感，呈顯著正相關(guān)[45]。但是筆者研究表明，植物處理的根系微生物群落并未發(fā)生顯著變化，這可能是因?yàn)樵囼?yàn)周期較短以及底泥自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較為豐富，植物尚無(wú)法通過(guò)改變生境的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境來(lái)影響其菌落組成結(jié)構(gòu)的多樣性[45]。

滅菌組水體TN和底泥IN的去除效果顯著弱于有菌組，該現(xiàn)象解釋了對(duì)照組無(wú)植物種植，但也能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)各個(gè)形態(tài)的N有較高的去除率。滅菌組水體TN和NH4+-N濃度升高則可能是因?yàn)楦邷販缇鷹l件下，土壤理化結(jié)構(gòu)被破壞，土壤有機(jī)質(zhì)被分解，導(dǎo)致土壤中部分TN和NH4+-N進(jìn)入至水體[46]?？梢?jiàn)，底泥原有的微生物群落足以在富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化中發(fā)揮巨大作用。優(yōu)勢(shì)菌種以變形菌門(mén)、綠彎菌門(mén)和酸桿菌門(mén)為主，與已有研究相一致[10,47]。其中，變形菌門(mén)包括許多固N(yùn)細(xì)菌，對(duì)N的轉(zhuǎn)化及植物吸收有促進(jìn)作用[26]。Sulfuricurvum屬、Ferritrophicum屬、Sulfuricella屬、Thiobacillus屬與Sulfuricurvum屬歸屬于變形菌門(mén)，包括氨氧化菌、亞硝酸氧化菌以及反硝化菌等[48]。其中，F(xiàn)erritrophicum屬為自養(yǎng)反硝化菌[49]。Thiobacillus屬是專(zhuān)性化能自養(yǎng)型硫氧化菌，能將單質(zhì)硫、硫化物等底物氧化為硫酸鹽，同時(shí)也是典型的硝酸鹽依賴型亞鐵氧化菌，氧化Fe(Ⅱ)的同時(shí)，利用NO3-作為電子受體并耦合還原為NH4+[50]，其大部分菌群可在厭氧條件下進(jìn)行自養(yǎng)反硝化作用[45]。Thiobacillus屬及Sulfuricurvum屬相對(duì)豐度較高，與對(duì)照組及試驗(yàn)組水體前期NO3--N迅速下降，且最終去除率絕大多數(shù)高達(dá)90%以上的情況相關(guān)性較高?？傮w占比第2的綠彎菌門(mén)是一類(lèi)以CO2為C源，通過(guò)光合作用產(chǎn)生能量的細(xì)菌。綠彎菌門(mén)的這種光合特性可使其在 SOC含量較低的底泥中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[51-52]，同時(shí)對(duì)枯枝腐葉的C循環(huán)分解具有潛在作用[41]。此外，硝化螺旋菌門(mén)占比較高，其中的硝化螺旋菌屬包含了大量的氨氧化菌[36]，可以將環(huán)境中的NO2--N氧化成NO3--N，在水體中參與N循環(huán)，對(duì)于促進(jìn)NH4+-N、NO3--N的轉(zhuǎn)化及水生植物的生長(zhǎng)具有重要意義[25]。

有研究表明，當(dāng)水體遭到新的污染時(shí)，有機(jī)N被微生物氧化分解為NH4+-N，而NH4+-N去除周期較短，一般在7 d左右即可達(dá)到穩(wěn)定，所以這期間TN濃度迅速下降[53]。同時(shí)，因底泥中一般帶負(fù)電荷，能夠吸引帶正電的NH4+-N，其能夠通過(guò)物理吸附和絮凝沉淀等作用使水體中的N沉降，由此使水體中NH4+-N濃度降低[54]。而在移栽初期，植物為維持自身生長(zhǎng)需要，需要大量水分與養(yǎng)分，也導(dǎo)致試驗(yàn)前10 d內(nèi)NO3--N濃度的迅速下降[55]。當(dāng)植物適應(yīng)移栽環(huán)境后，其對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求減少；且隨著植物體內(nèi)各種元素的再分配，使得植物吸收水體N的速率減慢，導(dǎo)致水體TN、NH4+-N及NO3--N濃度降低速度趨于平緩[56]，而且微生物在富營(yíng)養(yǎng)化水體N凈化中的作用遠(yuǎn)大于植物。

4 結(jié)論

4種水生植物通過(guò)對(duì)N的吸收累積作用，在一定程度上降低了不同富營(yíng)養(yǎng)化水體的NH4+-N、NO3--N及TN濃度，其中睡蓮、荇菜及水金英效果較好。此外，低N和中N濃度處理的N沉降現(xiàn)象，也使其表現(xiàn)出了較高的水體N去除效應(yīng)。由于試驗(yàn)周期較短(40 d)，種植水生植物并沒(méi)有顯著改變根際底泥微生物群落結(jié)構(gòu)。但是，底泥滅菌試驗(yàn)表明，微生物在富營(yíng)養(yǎng)化水體凈化過(guò)程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。該研究闡明了富營(yíng)養(yǎng)化水體中N的去除路徑，為有效構(gòu)建人工濕地，利用水生植物、底泥和微生物，高效、安全、持續(xù)地去除富營(yíng)養(yǎng)化水體的N提供了科學(xué)依據(jù)。