濾解帶構(gòu)建對硬質(zhì)駁岸水體微生物功能多樣性的影響

王俊力，劉福興①，喬紅霞，付子軾，孟格蕾，蔡 敏

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院/ 上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201403；2.上海十方生態(tài)園林股份有限公司，上海 200233；3.無錫恒誠水利工程建設(shè)有限公司，江蘇 無錫 214072)

隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷推進，由于土地規(guī)劃及水利等需要，大部分河流湖泊岸帶采用混凝土或漿砌石進行護砌[1]，在發(fā)揮防洪排澇作用的同時也阻斷了水陸生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)系。硬質(zhì)駁岸的建設(shè)破壞了原有自然岸帶的生態(tài)功能，從而引起水體自凈能力降低、水質(zhì)惡化、物種減少等生態(tài)系統(tǒng)退化問題[2]。因此，推進岸帶生態(tài)修復(fù)技術(shù)對于我國生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的國情具有重要意義[3]。

在河流湖泊岸帶修復(fù)方面，通常采用生態(tài)重建方法來達到恢復(fù)目的[4]，而生物在此過程中起到關(guān)鍵作用[5]，營造動植物和微生物相互作用的環(huán)境，是生態(tài)修復(fù)的主要原則之一[6]。目前，采用的技術(shù)主要有利用生態(tài)混凝土、多孔滲透磚等材料構(gòu)建生態(tài)護坡，但其需要拆除原有硬質(zhì)駁岸進行重新改造[7]；利用排樁疊加、塊石壘砌等方式構(gòu)建濕地系統(tǒng)[8]，則需要占用水體較大空間，影響水體容量。為此，筆者根據(jù)人工濕地及生態(tài)濾床等構(gòu)建思路設(shè)計一種濾解帶裝置，在不影響正常水利功能前提下，依據(jù)現(xiàn)有條件在硬質(zhì)駁岸區(qū)域利用基質(zhì)材料構(gòu)建人工生態(tài)系統(tǒng)對其進行軟化修復(fù)，考察短期和長期濾解帶設(shè)置對水體污染物濃度的影響，采用Biolog方法對水體微生物群落功能多樣性特征進行分析，以期為硬質(zhì)駁岸修復(fù)技術(shù)的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)，并為同類技術(shù)的應(yīng)用提供設(shè)計參考。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

濾解帶裝置由框架、內(nèi)部填料、通氣和傳輸管路及植物組成(圖1)。框架由不銹鋼網(wǎng)、筋組成，尺寸為160 cm×40 cm×40 cm(L×W×H)。由于直立駁岸基礎(chǔ)平臺護角寬度普遍為40 cm，故將斷面寬度設(shè)為與其相同，裝置采用樁和繩索組合固定。內(nèi)部填料采用天然紅色火山石(購自河南鞏義某凈水材料廠)，粒徑為2～4 cm，孔隙率為73%～82%，相對體積質(zhì)量為0.78，比表面積為13.6～25.5 m2·g-1，容重為740 kg·m-3。通氣和傳輸管路由1根橫管和2根豎管組成，材質(zhì)為UPVC，管徑為20 cm，橫管斷面位于框架斷面中央，兩端伸出與兩側(cè)濾解帶裝置相連，且每隔一定距離進行一定寬度的穿孔處理，孔徑為3～5 mm，豎管管徑與橫管相同，下部與橫管通過三通相連。植物采用當(dāng)?shù)爻Ｒ姷耐λ参稂S菖蒲(Irispseudacorus)，用無土栽培方式栽植于豎管內(nèi)，移栽時黃菖蒲為成苗，即其生長處于旺盛期。

圖1 濾解帶裝置示意及采樣點位置

1.2 實驗設(shè)計

實驗在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗站塑料大棚內(nèi)的水泥池〔640 cm×340 cm×50 cm(L×W×H)〕中進行，共設(shè)3個處理：對照(CK，池中無濾解帶)、濾解帶1(Lv1，池中一短邊設(shè)置無植物濾解帶)、濾解帶2(Lv2，池中一短邊設(shè)置有植物濾解帶)，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，計9個單元。供試水體來自實驗區(qū)附近河道并不定時補充，河道匯水有生活污水和農(nóng)田尾水，試驗期間進水水質(zhì)如下：pH為7.32～8.93，氧化還原電位(ORP)為67.1～149.5 mV，ρ(DO)為2.66～8.52 mg·L-1，EC為626～968 μS·cm-1，ρ(TDS)為289～457 mg·L-1，ρ(TN)為0.6～2.3 mg·L-1，ρ(TP)為0.02～0.16 mg·L-1，ρ(TOC)為6.9～67.7 mg·L-1。實驗于2018年5月開始采用靜態(tài)方式進行，濾解帶設(shè)置好后進行取樣，3個處理同時進行，短期取樣為10 d，最初2 d每1 d取水樣1次，之后每間隔1 d取樣1次直至10 d，之后每個月取樣1次至9個月，取樣時間固定為9:00—10:00，取樣位置分別為S(濾解帶設(shè)置處)和M點位(水泥池中間)。

1.3 測定指標(biāo)與方法

水體中TN和TP含量分別采用過硫酸鉀氧化法和鉬銻抗分光光度法測定[9]，TOC含量采用TOC分析儀(Apollo9000，Teledyne，美國)測定。

水體微生物碳源利用特征采用Biolog生態(tài)板(ECO microplate，Matrix Technologies Corpration，美國)測定：將水樣接種至Biolog生態(tài)板上，每孔加樣量為150 μL，置于30 ℃條件下恒溫培養(yǎng)，分別于24、48、72、96、120、144和168 h時采用酶標(biāo)儀(Tecan，M200 PRO NanoQuant，瑞士)在590和750 nm處測定每孔吸光度[10]。

微生物代謝活性用孔的平均顏色變化率(average well color development，AWCD，IAWCD)表示，計算公式為

IAWCD=∑(Ci-R)/n。

(1)

式(1)中，Ci為第i個非對照孔吸光度(每孔吸光度均為D590減去D750)；R為對照孔吸光度；n為培養(yǎng)基碳源種類數(shù)，取值31。

將31種碳源分為碳水化合物類(10種)、羧酸和酮酸類(9種)、氨基酸類(6種)、聚合物類(4種)和胺類(2種)5類[11]，各類碳源的AWCD值與AWCD總和的比值即為微生物對各類碳源的相對利用率。

碳源利用豐富度指數(shù)(S)用顏色變化的孔數(shù)表征，為每孔中(Ci-R)值大于0.25的孔個數(shù)[12]。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)用來表征微生物群落豐富度，計算公式為

H=-∑(PilnPi)。

(2)

式(2)中，Pi為第i個非對照孔吸光度與所有非對照孔吸光度總和的比值，即(Ci-R)/∑(Ci-R)。

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)用來表征微生物群落優(yōu)勢度，計算公式為

D=1-∑Pi2。

Pielou均勻度指數(shù)(J)用來表征微生物群落均勻程度，計算公式為

J=H/lnS。

(3)

式(3)中，S為被利用碳源總數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Biolog生態(tài)板培養(yǎng)72 h時吸光度對微生物代謝各指數(shù)進行計算及主成分分析[13]。采用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用ANOVA和Duncan方法進行方差分析和差異顯著性比較，采用Sigmaplot 12.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體污染物濃度變化

不同處理水體污染物濃度變化見圖2。

CK為池中無濾解帶處理；Lv1和Lv2分別為池中一短邊設(shè)置無植物和有植物濾解帶處理。*表示P<0.05，**表示P<0.01，ns表示P>0.05。

圖2顯示，濾解帶短期設(shè)置時間(10 d)內(nèi)，不同處理間ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(TOC)差異不顯著(P>0.05)，隨著設(shè)置時間的延長(≥30 d)，不同處理間差異顯著(P<0.05)。與CK相比，濾解帶設(shè)置9個月Lv1和Lv2處理水體中ρ(TN)分別平均下降17.2%和28.7%，ρ(TP)平均下降16.6%和18.4%，ρ(TOC)平均下降29.8%和42.7%。

2.2 水體微生物碳源利用比較

微生物代謝活性用AWCD表征(圖3)。

CK為池中無濾解帶處理；Lv1和Lv2分別為池中一短邊設(shè)置無植物和有植物濾解帶處理；S和M分別為濾解帶設(shè)置處和水泥池中間點位。

由圖3可知，分別在濾解帶設(shè)置1、10、30、150和270 d時，隨培養(yǎng)時間的延長，水體微生物總碳源代謝強度均呈逐漸增加趨勢，培養(yǎng)24～120 h內(nèi)呈線性增加，之后趨于穩(wěn)定。隨著設(shè)置時間的延長，水體微生物碳源利用率增加速度顯著加快，不同處理間基本呈現(xiàn)Lv2>Lv1>CK趨勢，且每個處理S點位水體微生物碳源利用率高于M點位。

由水體微生物對5類碳源的相對利用率(圖3)可知，濾解帶設(shè)置1 d后，水體微生物表現(xiàn)為對聚合物類碳源的相對利用率最高，且各處理S點位均高于M點位，其次為碳水化合物類，且各處理M點位均高于S點位。與CK相比，Lv1和Lv2處理水體微生物對羧酸和酮酸類及氨基酸類碳源均有利用。隨著設(shè)置時間的延長，各處理對羧酸和酮酸類及氨基酸類碳源利用率均有增加，設(shè)置270 d時，各處理對碳水化合物類、羧酸和酮酸類、氨基酸類和聚合物類碳源的相對利用率基本一致，對胺類碳源的相對利用率最低。從不同設(shè)置時間不同采樣點位平均情況來看，CK對碳水化合物類、羧酸和酮酸類、氨基酸類和聚合物類碳源的相對利用率分別為30.7%、13.4%、9.7%和45.6%(平均值為24.9%±16.6%)，Lv1處理分別為20.1%、17.8%、16.6%和44.3%(平均值為24.7%±13.1%)，Lv2處理分別為24.6%、20.5%、16.8%和36.4%(平均值為24.6%±8.5%)。

2.3 水體微生物多樣性指數(shù)比較

由于濾解帶設(shè)置1和10 d時水體微生物碳源利用豐富度較低，故不同處理間水體微生物多樣性指數(shù)以濾解帶設(shè)置后的30、150和270 d(72 h)平均值計算。表1顯示，Lv1和Lv2處理水體微生物碳源利用豐富度指數(shù)平均分別為13.3和16.8，比CK分別增加31.1%和65.5%；Lv1和Lv2處理水體微生物多樣性指數(shù)分別為3.03和3.11，比CK分別增加9.6%和12.3%；Lv1和Lv2處理水體微生物優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)與CK相比差異不大，但基本表現(xiàn)為略高于CK；各個處理水體微生物多樣性指數(shù)基本呈S點位>M點位的趨勢。

表1 不同處理水體微生物多樣性指標(biāo)差異

2.4 水體微生物碳源利用特征主成分分析

基于Biolog生態(tài)板培養(yǎng)過程中(72 h)的AWCD值，對3個處理(包括不同點位)的樣品(濾解帶設(shè)置30、150、270 d時)進行主成分分析(圖4)。PCA1和PCA2累計貢獻率達100%，其中，PCA1貢獻率占比為99.5%。PCA1將濾解帶設(shè)置時間區(qū)分開，設(shè)置30 d時各處理集中在PCA1正向端，設(shè)置150和270 d時各處理集中在PCA1負向端，說明水體微生物群落代謝特征在時間上存在顯著差異。從PCA2正向端到負向端的不同處理上來看，水體微生物群落代謝特征Lv1-S和Lv2-M更為相似(三角形重疊較多)，Lv1-M和CK-S更為相似。

圖4 培養(yǎng)72 h時水體微生物碳源利用特征的主成分分析

3 討論

3.1 濾解帶不同處理對水體污染物濃度的影響

濾解帶在硬質(zhì)駁岸區(qū)域利用了人工濕地構(gòu)建思路，濕地通過復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物等方面的作用實現(xiàn)水體污染物的去除[5]，其中，生物(植物和微生物)起到關(guān)鍵作用[14]。筆者研究中，濾解帶設(shè)置后，與CK相比，短期內(nèi)水體污染物(TN、TP、TOC)濃度無顯著變化，隨著設(shè)置時間的延長，水體污染物濃度顯著降低，且有植物濾解帶處理降低比例更大。濾解帶設(shè)置短期內(nèi)存在一個系統(tǒng)穩(wěn)定過程[15]，對水體污染物濃度的影響不明顯。濾解帶內(nèi)部填料采用火山石，是一種常見的輕質(zhì)吸附材料，有密度小、比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點[3]，不僅可以通過吸附、離子交換等途徑去除水體中一部分污染物，大的比表面積還為微生物附著提供了場所[16]。

隨著設(shè)置時間的延長，微生物的作用逐漸增加，可降低水體污染物濃度。有植物濾解帶處理水體污染物濃度降低效果更為明顯。研究表明，與無植物相比，濕地種植植物能使氮去除率提高至70%[17]，水質(zhì)凈化效果和微生物豐度均顯著增加[18]。植物根系為微生物提供了一個適宜生長的微環(huán)境[19]，其中，植物根系泌氧使得根際周圍存在好氧、缺氧和厭氧環(huán)境，促進多種微生物的共同協(xié)作[20]；根系分泌物能為根際微生物提供碳源，影響微生物群落結(jié)構(gòu)與代謝，使其通過各種生理代謝途徑將污染物從水體中去除[16]。研究表明，植物直接吸收并不是濕地水體污染物去除的主要途徑[21]。

3.2 濾解帶不同處理對微生物群落功能多樣性的影響

微生物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它對環(huán)境的變化十分敏感，這使其結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，從而對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)影響，而這種影響主要是通過群落代謝功能差異來實現(xiàn)的[22]。Biolog生態(tài)板主要根據(jù)微生物對碳源底物利用能力的差異來描述群落中微生物的動態(tài)變化[11]。AWCD值的變化差異可以反映濾解帶不同處理水體微生物的代謝活性差異，AWCD值增加越快，表明微生物代謝活性越高。筆者研究中，濾解帶設(shè)置時間越長，水體微生物AWCD值增加越快，說明濾解帶設(shè)置可長期帶動水體微生物代謝活性的增加；而有植物濾解帶設(shè)置處理AWCD值增加最為明顯，可能是植物根際環(huán)境對微生物產(chǎn)生了影響，根系分泌物釋放速率、類型或數(shù)量都會影響微生物的豐度和活性[23]；每個處理駁岸處水體微生物AWCD值均高于中間水體，說明無論濾解帶設(shè)置與否，駁岸處更有利于水體微生物聚集，其代謝活性提高，而濾解帶設(shè)置為微生物聚集提供了更加有利的場所。濾解帶設(shè)置后水體微生物碳源利用豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均高于CK，有植物濾解帶設(shè)置處理則增加得更為明顯，而優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)則基本呈略高于CK的趨勢，說明濾解帶設(shè)置增加了水體微生物群落功能多樣性。不同處理AWCD值變化和微生物群落功能多樣性指數(shù)與水體污染物濃度變化趨勢相反，AWCD值增加越快，微生物多樣性指數(shù)越高，水體污染物濃度降低就越明顯。

不同種類微生物在環(huán)境中的占比不同，構(gòu)成了特有的群落結(jié)構(gòu)，會影響水體污染物去除效率[16]。筆者研究中，試驗短期內(nèi)水體微生物表現(xiàn)為對聚合物類碳源的相對利用率最高，其次為碳水化合物類，與CK相比，濾解帶設(shè)置使水體微生物對羧酸和酮酸類及氨基酸類碳源均有利用。隨著設(shè)置時間的延長，各處理對碳水化合物類、羧酸和酮酸類、氨基酸類和聚合物類碳源的相對利用率基本一致，有植物濾解帶設(shè)置處理對這4類碳源的相對利用率平均差異最小(標(biāo)準(zhǔn)差最小)，結(jié)合水體污染物濃度情況，說明不同種類微生物在水體中占比越趨于一致，則對污染物濃度降低效果就越明顯。研究表明，不同水體中微生物群落的代謝特征具有明顯差別，例如，池塘水體微生物優(yōu)先利用氨基酸類，其次為羧酸類、糖類、聚合物類、胺類和其他碳源[24]。

筆者研究中，PCA分析結(jié)果表明，水體微生物群落代謝特征在設(shè)置時間上存在顯著差異，濾解帶設(shè)置30 d與設(shè)置150和270 d顯著不同，雖然濾解帶這種工程措施對硬質(zhì)駁岸水體污染物去除作用的短期效果不明顯，但是長期效果顯著，主要表現(xiàn)在微生物的作用穩(wěn)定提升。從不同處理上來看，水體微生物群落代謝活性表現(xiàn)為Lv2-S>Lv2-M≈Lv1-S>Lv1-M≈CK-S>CK-M，可見無論濾解帶設(shè)置與否，駁岸處水體微生物作用更為顯著，而濾解帶設(shè)置更能增加此處微生物作用，且有植物濾解帶更為明顯，其中間水體的微生物作用與無植物濾解帶設(shè)置處相當(dāng)。

濾解帶技術(shù)作為一種高度集約、功能多樣、造價低廉且實施維護方便的裝置，可以規(guī)?；瘧?yīng)用，從而改變硬質(zhì)駁岸濱水區(qū)域生境條件，提升駁岸生態(tài)功能，是一種具有重要現(xiàn)實意義的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

4 結(jié)論

(1)濾解帶長期設(shè)置可降低硬質(zhì)駁岸水體中污染物濃度，與CK相比，無植物濾解帶設(shè)置9個月后，ρ(TN)降低17.2%，ρ(TP)降低16.6%，ρ(TOC)降低29.8%，而有植物濾解帶處理降低比例分別為28.7%、18.4%和42.7%。

(2)濾解帶長期設(shè)置增加了水體微生物碳源利用率，優(yōu)化了水體微生物碳源利用類型，且有植物濾解帶處理水體微生物碳源利用率大于無植物濾解帶處理。

(3)濾解帶長期設(shè)置增加了水體微生物群落功能多樣性，碳源利用豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均高于CK，且有植物濾解帶處理大于無植物濾解帶處理。

(4)水體微生物群落代謝特征在濾解帶設(shè)置時間上存在顯著差異，濾解帶設(shè)置30 d與150和270 d顯著不同，濾解帶長期設(shè)置可帶動水體微生物群落代謝活性的提高，且有植物濾解帶的作用更為明顯。