叢枝菌根真菌對(duì)人工濕地植物生長及水質(zhì)凈化的影響研究

劉寧，劉洋，續(xù)京平，宋慧平，馮政君 ，程芳琴

1.山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所，山西 太原 030006；2.山西省黃河實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006；3.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西 太原 030006；4.北京北華中清環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100176；5.北京諾曼斯佰環(huán)?？萍加邢薰?，北京 102200

人工濕地作為一種近自然狀態(tài)下的水質(zhì)凈化處理系統(tǒng)，具有處理費(fèi)用低，生態(tài)效益高等特點(diǎn)（葉振坤等，2020）?，F(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)及生活廢水的處理，其主要依靠濕地中基質(zhì)的吸附固定、微生物的降解沉積及植物的吸收提取等途徑來實(shí)現(xiàn)污水的凈化（彭麟等，2012），同時(shí)基質(zhì)、微生物和植物也會(huì)產(chǎn)生相互作用，進(jìn)一步提高去污效果。如何提高人工濕地對(duì)氮、磷、COD等的去除率一直是人們關(guān)注的問題（黃錦樓等，2013）。

叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhiza fungi，AM真菌），是一類共生真菌（羅鵬程，2016），它廣泛分布于自然界中，能夠與地球上絕大多數(shù)植物形成AM菌根（王立等，2010）。AM真菌可以促進(jìn)宿主植物根系的發(fā)育、增強(qiáng)植物對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收并改善植物根際的微生物群落結(jié)構(gòu)（Ansari et al.，2013；Ramírez-Viga et al.，2018），從而促進(jìn)植物的生長、提高植物的抗逆性（Mohammad et al.，2011；Xu et al.，2018）。

越來越多的研究證實(shí)AM真菌是濕地植物的主要共生菌之一（鄢金灼等，2008），同時(shí)也是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分（Wang et al.，2018），它廣泛存在于鹽沼、草甸、沼澤地、河流、湖泊、紅樹林等濕地生境中（Xu et al.，2016）。彭麟等（2012）認(rèn)為，AM真菌是一種潛在的提高人工濕地污染物去除效率的微生物，主要的機(jī)制包括：（1）直接促進(jìn)濕地植物的生長發(fā)育，增加植物對(duì)氮、磷等污染物的吸收；（2）促進(jìn)植物根系發(fā)育，從而強(qiáng)化根際共生微生物對(duì)污染物的去除；（3）提高植物的抗逆性，提升濕地運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，將AM真菌應(yīng)用于人工濕地可提高濕地運(yùn)行效率，值得進(jìn)一步的探索和研究。但是，目前對(duì)AM真菌在濕地環(huán)境中的研究大多關(guān)注它在濕地中種類分布特征，而關(guān)于 AM 真菌在實(shí)際人工濕地中應(yīng)用及其效果評(píng)價(jià)的研究較少。

鑒于此，本文在北京某人工濕地進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了AM真菌-濕地植物共生體系，并探討了 AM 真菌對(duì)人工濕地植物生長和水質(zhì)凈化的影響，旨在為中國人工濕地的高效運(yùn)行提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

實(shí)驗(yàn)所在的人工濕地位于北京市，于 2019年開工建設(shè)和使用。該地屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫11—12 ℃，無霜期181 d，平均降雨量約600 mm。降水季節(jié)分配不均勻，全年降水量的80%集中在6—8月。該人工濕地由潛流段和表流段組成，其中潛流段由139個(gè)單元濾池組成，每個(gè)單元濾池設(shè)計(jì)尺寸為20 m×40 m，面積為800 m2，總面積為103200 m2。其基質(zhì)配比為陶粒：V(碎石)∶V(沸石)∶V(火山巖)=15∶40∶115。該人工濕地采用連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水的運(yùn)行模式，污水經(jīng)潛流濕地（多級(jí)砂濾池）過濾沉淀后，再由表流濕地凈化流回原河流。其設(shè)計(jì)處理規(guī)模為22300 m3·L-1，水力停留時(shí)間為 48 h，水力負(fù)荷為 0.5 m3·m-2·d-1。濕地系統(tǒng)內(nèi)水生植物主要包括黃菖蒲（Irispseudacorus）、水蔥（Scirpustabernaemontani）等，植被覆蓋度較高，可達(dá)70%—90%。

1.2 污水狀況

污水來源于北京某河流，經(jīng)中央布水通道均勻進(jìn)入人工濕地各處理區(qū)域，處理后再流回原河流。污水原水質(zhì)狀況屬于劣 V類，COD質(zhì)量濃度為(36.32±1.21) mg·L-1，氨氮質(zhì)量濃度為 (4.12±0.33)mg·L-1，TP 質(zhì)量濃度為 (0.49±0.04) mg·L-1。

1.3 供試植物和菌種

實(shí)驗(yàn)所用 AM 真菌為專用于濕地挺水植物生長發(fā)育的挺水植物生長促進(jìn)劑（AMF-WL2顆粒劑），購于捷克Symbiom公司。該產(chǎn)品的主要成分為 5種不同種類 AM 真菌（近明球囊霉屬Claroideoglomusetunicatum、近明球囊霉屬Claroideoglomusclaroideum、根孢囊霉屬Rhizophagusirregularis、斗管囊霉屬Funneliformis geosporus、斗管囊霉屬Funneliformismosseae）的生物活性顆粒（包含有定殖根碎片、孢子和菌絲體碎片等），通過最可能數(shù)檢驗(yàn)得其最小繁殖體數(shù)和典型平均感染繁殖體數(shù)分別為200、325 pcs·g-1，其載體為膨脹粘土、斜發(fā)沸石等惰性顆粒。根據(jù)AMF-WL2的適用性和濕地種植品種，選定水蔥、黃菖蒲作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)植物。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，即2個(gè)植物種類處理（水蔥、黃菖蒲）和2個(gè)AM真菌處理（NM：不接種；AM：接種AM真菌）。試驗(yàn)在人工濕地進(jìn)行，于2019年 9月開始移植植物，2020年 4月以 180 g·m-2的AMF-WL2顆粒劑用量一次性全面積播撒。各處理試驗(yàn)區(qū)域面積及環(huán)境狀況一致，具體種植面積及密度見表1，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。試驗(yàn)期間自然采光，不施肥、打藥、修剪、去漂浮和清淤。每月進(jìn)行采樣觀察、拍照，于2020年10月30日收獲植物。

表1 試驗(yàn)區(qū)域植物種植面積及密度Table 1 Plant planting area and density in the test area

圖1 試驗(yàn)區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of test area structure

1.5 測定指標(biāo)與方法

1.5.1 菌根侵染率的測定

菌根侵染率：將采集的植株根系用超純水洗凈后，剪成長約1 cm的根段，置于10% KOH溶液中，于90 ℃的水浴條件下45 min；將根系用超純水沖洗干凈，置于 2% HCl酸化 5 min；隨后移至0.05%臺(tái)盼藍(lán)-乳酸甘油中于90 ℃水浴條件下染色30 min；在顯微鏡下觀察菌根侵染狀況；用根段頻率法計(jì)算菌根侵染率（Phillips et al.，1970）。

式中：

F——菌根侵染率；

RAM——菌根浸染的根段數(shù)；

Rtotal——被檢查的總根段數(shù)。

1.5.2 植物生長指標(biāo)的測定

收獲后，每個(gè)處理隨機(jī)選取5株植物，測定其株高、根長及植物鮮質(zhì)量。

1.5.3 水體指標(biāo)的測定

試驗(yàn)期間，定期采集水樣測水體指標(biāo)，主要監(jiān)測COD、氨氮和TP，其分析方法及來源見表2。

表2 水樣監(jiān)測指標(biāo)與分析方法Table 2 Water sample monitoring index and analysis method

1.6 統(tǒng)計(jì)方法

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均用Excel 2019進(jìn)行平均值及標(biāo)準(zhǔn)誤差的計(jì)算，用SPSS 23.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選擇方差檢驗(yàn)、Duncan檢驗(yàn)、LSD多重比較檢驗(yàn)各處理平均值之間的差異的顯著性（P＜0.05）。使用Origin 9.0軟件繪圖。

式中：

ρc——污染物濃度變化；

Rc——污染物去除率；

Ic——污染物去除率提高比例；

ρout——污染物出水濃度；

ρin——污染物進(jìn)水濃度；

RcAM——AM區(qū)污染物去除率；

RcNM——NM區(qū)污染物去除率。

2 結(jié)果與分析

2.1 接種AM真菌對(duì)植物菌根侵染狀況的影響

由圖2和圖3可知，未接種處理也會(huì)觀察到菌根真菌侵染的跡象，而接種處理顯著提高了植物根系中的菌根侵染率和菌根侵染強(qiáng)度（P＜0.05）。對(duì)比兩種挺水植物接種 AM 真菌后的菌根侵染率發(fā)現(xiàn)，水蔥＞黃菖蒲。其中，水蔥高達(dá)37.66%，與不接種AM真菌相比提高了20.62%。

圖2 AM真菌對(duì)不同植物菌根侵染率的影響Figure 2 Effects of AM fungi on mycorrhizal infection rate of different plants

圖3 NM組（A）和AM組（B）的植物根系菌根侵染狀況Figure 3 Mycorrhizal infection of plant roots in NM group (A) and AM group (B)

2.2 接種AM真菌對(duì)植物生長的影響

由表3和圖4可知，AM真菌對(duì)植物的生長有很大的影響，接種處理植物的株高、根長、鮮物質(zhì)量相對(duì)于未接種處理的植物均得到了顯著增加（P＜0.05），接種處理的植物根系也明顯發(fā)達(dá)，根面積和根體積均得到了增加。其中，與未接種處理相比，接種處理的株高提高了17.79%—31.35%，根長提高了 18.79%—29.14%，鮮物質(zhì)量提高了54.56%—116.43%。

圖4 NM組（A）和AM組（B）的黃菖蒲根系生長狀況Figure 4 Root growth of Iris pseudacorus in NM group (A) and AM group (B)

表3 AM真菌對(duì)不同植物生長的影響Table 3 Effects of AM fungi on the growth of different plants

2.3 接種AM真菌對(duì)人工濕地水質(zhì)凈化的影響

試驗(yàn)水質(zhì)監(jiān)測從2020年5月運(yùn)行至2020年10月，即AMF-WL2施加期間。跟蹤監(jiān)測了人工濕地去污效果，監(jiān)測項(xiàng)目包括COD、氨氮、TP等水質(zhì)指標(biāo)。

2.3.1 COD去除效果

從表4和圖5可以看出，該人工濕地的COD進(jìn)水質(zhì)量濃度約為 36.32 mg·L-1，經(jīng)人工濕地處理后，COD質(zhì)量濃度顯著下降。且與未接種處理相比，接種處理 COD去除效果更優(yōu)，質(zhì)量濃度降低了0.46—1.30 mg·L-1，去除提高了12.32%—24.19%。其中，2020年5、9和10月COD的質(zhì)量濃度變化達(dá)到了顯著影響，質(zhì)量濃度分別降低了0.46、1.30、1.10 mg·L-1，去除提高了21.59%、16.83%、21.59%，表明AM真菌增強(qiáng)了人工濕地對(duì)COD的去除能力。

圖5 人工濕地進(jìn)出水COD質(zhì)量濃度變化及去除率提高比例Figure 5 Change and removal improvement ratio of COD mass concentration in inlet and outlet water of constructed wetland

2.3.2 氨氮凈化效果

從表4和圖6可以看出，該人工濕地的氨氮進(jìn)水質(zhì)量濃度約為4.12 mg·L-1，經(jīng)人工濕地處理后，氨氮濃度有所下降。且與未接種處理相比，接種處理氨氮去除效果更優(yōu)，質(zhì)量濃度降低了 0.03—0.23 mg·L-1，去除提高了 5.45%—45.31%。其中，2020年6月氨氮的質(zhì)量濃度變化達(dá)到了顯著影響，質(zhì)量濃度降低了0.21 mg·L-1，去除提高了21.59%，表明AM真菌增強(qiáng)了人工濕地對(duì)氨氮的去除能力。

圖6 人工濕地進(jìn)出水氨氮質(zhì)量濃度變化及去除率提高比例Figure 6 Change and removal improvement ratio of NH3-N mass concentration in inlet and outlet water of constructed wetland

表4 人工濕地進(jìn)出水質(zhì)量濃度及其所屬水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 The concentration of inlet and outlet water and its quality standard of constructed wetland

2.3.3 TP凈化效果

從表4和圖7可以看出，該人工濕地的TP進(jìn)水質(zhì)量濃度約為0.49 mg·L-1，經(jīng)人工濕地處理后，TP濃度有所下降。且與未接種處理相比，接種處理TP去除效果更優(yōu)，質(zhì)量濃度降低了 0.01—0.03 mg·L-1，去除提高了 5.30%—57.06%。其中，2020年10月TP的質(zhì)量濃度變化達(dá)到了顯著影響，質(zhì)量濃度降低了0.03 mg·L-1，去除提高了57.06%，表明AM真菌增強(qiáng)了人工濕地對(duì)TP的去除能力。

圖7 人工濕地進(jìn)出水TP質(zhì)量濃度及去除率提高比例Figure 7 Change and removal improvement ratio of TP mass concentration in inlet and outlet water of constructed wetland

由表4可知，經(jīng)人工濕地處理6個(gè)月后，兩個(gè)區(qū)域水體的COD、氨氮、TP質(zhì)量濃度均達(dá)到了地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3 討論

菌根侵染率是判斷AM真菌能否與植物形成共生體系的基本指標(biāo)（李信茹，2021），也是判斷AM真菌能否影響植物生長和水質(zhì)凈化的前提條件。只有當(dāng)AM真菌與植物建立共生體系時(shí)，才可以進(jìn)一步研究AM真菌對(duì)植物生長及水質(zhì)凈化的影響。且菌根侵染率越高，說明其在宿主根系上擴(kuò)展的能力越大（周霞等，2012；郭佳等，2014）。研究發(fā)現(xiàn)，2種濕地植物（水蔥、黃菖蒲）均能與AM真菌建立良好的共生關(guān)系，且水蔥明顯優(yōu)于黃菖蒲，這為后續(xù)的研究打下了良好的基礎(chǔ)。

先前的研究表明，AM真菌對(duì)植物的生長有明顯的促進(jìn)作用。莫惠芝等（2019）研究發(fā)現(xiàn)，不同AM真菌均能不同程度的提高翠蘆莉和藍(lán)花鳶尾的生長量、生物量，且促進(jìn)效果與AM真菌種類和植物種類有關(guān)。這與本實(shí)驗(yàn)中AM真菌對(duì)兩種挺水植物的促生效應(yīng)因植物種類而異的結(jié)果一致。王寧等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，接種 AM 真菌顯著增加了三葉鬼針草的生物量、根長、根面積和根體積等，且他們認(rèn)為AM真菌是通過影響宿主植物的根系形態(tài)來促進(jìn)其生長的。同樣，本實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)接種AM真菌后植物根系明顯發(fā)達(dá)，根長、根面積、根體積得到了顯著增加。馬學(xué)淼等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，接種摩西球囊霉菌（G.m）改善了玉米的氮磷營養(yǎng)水平，從而促進(jìn)了玉米的生長，達(dá)到了增產(chǎn)的效果。趙敏等（2021）研究發(fā)現(xiàn)，接種摩西球囊霉菌（G.m）和根內(nèi)球囊霉菌（G.i）兩種AM真菌均能促進(jìn)油樟幼苗的生長，且G.m促進(jìn)效應(yīng)更強(qiáng)，與其菌根侵染狀況一致。這與本實(shí)驗(yàn)中菌根侵染率較高的植物生長狀況較好的研究結(jié)果一致?？偟膩碚f，AM真菌促進(jìn)了水蔥和黃菖蒲的生長，其促進(jìn)機(jī)制主要為：（1）AM真菌的接種會(huì)影響宿主植物的根系形態(tài)，增加根長、根面積、根體積；（2）AM真菌會(huì)提高植物對(duì)氮磷等的獲取能力，從而增加植物對(duì)養(yǎng)分的吸收。本研究中發(fā)現(xiàn)水蔥的促生效應(yīng)明顯優(yōu)于黃菖蒲，這可能是因?yàn)樗[與AM真菌的共生狀況比黃菖蒲好，從而使得菌根發(fā)揮出更大的作用。

AM真菌對(duì)人工濕地水質(zhì)的凈化也起到了一定的促進(jìn)作用（吉云秀等，2005；李世陽，2010；丁怡等，2017）。與未接種組相比，接種AM真菌降低了COD、氨氮、TP的質(zhì)量濃度，分別降低了0.46—1.30、0.03—0.23、0.01—0.03 mg·L-1；污染物去除分別提高了 12.32%—24.19%、5.45%—45.31%、5.30%—57.06%。特別是在2020年5月、9月和10月COD質(zhì)量濃度顯著下降，2020年6月氨氮質(zhì)量濃度顯著下降，2020年10月TP質(zhì)量濃度顯著下降。Zheng et al.（2015）和高文禮等（2021）指出AM真菌具有龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)，它可以到達(dá)植物根系到不了的區(qū)域吸收氮磷等元素。Jiang et al.（2020）和屈明華等（2019）指出AM真菌可以將環(huán)境中的有機(jī)磷活化，使其分解為無機(jī)磷被植物吸收。孫秀秀等（2017）指出AM真菌能提高植物根際土壤中磷酸酶的活性，從而加強(qiáng)對(duì)磷的分解。陳明利等（2006）指出氨氮的去除與硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的數(shù)量有關(guān)，而陳媛（2015）發(fā)現(xiàn)AM真菌可以提高硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量，因此增強(qiáng)了氮的去除。梁威等（2002）指出COD的去除與人工濕地基質(zhì)中細(xì)菌和真菌的數(shù)量有極顯著相關(guān)，而袁麗環(huán)等（2010）發(fā)現(xiàn)AM真菌能提高植物根際土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量，因此加強(qiáng)了 COD的去除?？偟膩碚f，AM真菌提高了COD、氨氮和TP的去除能力，其去除機(jī)制主要為：（1）AM真菌具有龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)及其可以活化植物根際環(huán)境中的有機(jī)磷，從而增強(qiáng)了植物對(duì)氮磷等元素的吸收，降低了水中氨氮、總磷的質(zhì)量濃度；（2）AM真菌可以提高植物根際土壤中微生物的數(shù)量，增強(qiáng)某些酶（如磷酸酶）的活性，從而提高了人工濕地對(duì)氨氮、COD、總磷的去除。

4 結(jié)論

綜上所述，2種濕地植物（水蔥、黃菖蒲）均能與AM真菌建立良好的共生關(guān)系。接種AM真菌顯著提高了植物的株高、根長和鮮物質(zhì)量，分別提高了17.79%—31.35%、18.79%—29.14%、54.56%—116.43%。且與未接種區(qū)相比，接種AM真菌提高了人工濕地對(duì)COD、氨氮、TP的去除，污染物去除分別提高了12.32%—24.19%、5.45%—45.31%、5.30%—57.06%。經(jīng)人工濕地處理 6個(gè)月后，兩個(gè)區(qū)域水體的COD、氨氮、TP質(zhì)量濃度均達(dá)到了地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。總的來說，接種AM真菌促進(jìn)了植物的生長，且對(duì)人工濕地的水質(zhì)凈化起到了積極作用。