人工濕地中典型基質(zhì)和關(guān)鍵微生物的脫氮作用研究進(jìn)展

張 燕，董紅云，李新華,2*，劉宏元，王娜娜，王艷君，李 英，賈 曦，陳為京

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院濕地農(nóng)業(yè)與生態(tài)研究所，山東省濕地生態(tài)農(nóng)業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；2.東營黃河三角洲現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山東 東營 257000；3.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 山東 濟(jì)南 250100)

人工濕地是一種高效、低能耗、低投入、易操作、二次污染小和環(huán)境友好的污水處理工藝。人工濕地的脫氮效果非常顯著[1]。人工濕地主要利用土壤、基質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)和生物三重協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)污染水體修復(fù)的目標(biāo)。其中，人工濕地中的基質(zhì)和微生物在脫氮過程中起著關(guān)鍵作用。基質(zhì)是人工濕地處理系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，也是人工濕地中植物生長和微生物附著的主要載體，并為其生長提供營養(yǎng)物質(zhì)。人工濕地中的基質(zhì)能通過物理吸附作用，去除污水中的銨態(tài)氮和磷酸鹽等無機(jī)鹽，也能通過化學(xué)反應(yīng)去除污水中的氮、磷和重金屬元素。為了提升基質(zhì)去除廢水中污染物的能力，開發(fā)了一些新型的經(jīng)人工改造的基質(zhì)[2-5]，例如，新型凹凸棒、鐵碳電解基質(zhì)、生物炭和納米零價(jià)鐵等。

在人工濕地中，微生物的除氮量占總除氮量的60%～86%[6-7]。在硝化、硝酸鹽還原和厭氧氨氧化等作用過程中，氨氧化細(xì)菌/古菌、反硝化微生物和厭氧氨氧化菌等微生物促進(jìn)了氮的遷移和轉(zhuǎn)化[8-9]。因此，在人工濕地中，微生物群落的結(jié)構(gòu)、功能和微生物活性直接影響系統(tǒng)的脫氮能力[10]。研究表明，人工濕地中的微生物數(shù)量越多，其對污水中氮的去除效果越好；單一植物物種根際的微生物群落利用碳源和去除污染物的能力都較弱，而多種植物組合系統(tǒng)根際微生物利用碳源和去除污染物的能力都較強(qiáng)；復(fù)氧能力較好的人工濕地系統(tǒng)中的微生物數(shù)量和活性都高于普通人工濕地系統(tǒng)，其脫氮效率較高，植物根系的輸氧能力有利于基質(zhì)層中好氧微生物的活動(dòng)，如硝化微生物的活動(dòng)，而在中、下層的缺氧或厭氧環(huán)境中，利于反硝化微生物和其他厭氧微生物的活動(dòng)[11-12]。目前，多采用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)，對人工濕地中關(guān)鍵微生物的活性和作用機(jī)理開展深入研究。

本文通過對大量相關(guān)文獻(xiàn)的總結(jié)與分析，綜述了人工濕地中典型基質(zhì)和關(guān)鍵微生物的作用研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析了生物炭、納米零價(jià)鐵、生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵等基質(zhì)和氨化、反硝化、厭氧氨氧化、厭氧鐵氨氧化微生物等在人工濕地脫氮中的作用研究進(jìn)展，梳理出人工濕地新型基質(zhì)和關(guān)鍵微生物研究中存在的問題以及未來的研究方向，旨在為人工濕地去除污水中的氮提供理論指導(dǎo)與參考。

1 人工濕地中典型基質(zhì)的脫氮作用

1.1 生物炭的脫氮作用

生物炭是秸稈、木頭、鋸末、糞便等生物質(zhì)在缺氧環(huán)境中經(jīng)高溫裂解而形成的低密度、多孔含碳固體有機(jī)物。生物炭是一種新型廉價(jià)的吸附材料，為可再生資源，具有較大的比表面積，表面為多孔和芳香族化合物的結(jié)構(gòu)，且富含羧基、酚羥基、內(nèi)酯基等官能團(tuán)，碳含量高達(dá)60%以上，具有良好的物質(zhì)轉(zhuǎn)換和吸附性能、很高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，可以在環(huán)境中長期保存而不被礦化，生物炭表面的官能團(tuán)使其具備介導(dǎo)氧化還原反應(yīng)的能力[13-14]，可以促進(jìn)人工濕地系統(tǒng)去除污水中的氮和減小化學(xué)需氧量含量。同時(shí)，生物炭能為人工濕地系統(tǒng)補(bǔ)充碳源，促進(jìn)反硝化反應(yīng)[15]。

添加生物炭能改善人工濕地土壤的通透性，改變系統(tǒng)的溶解氧含量和pH 等，為土壤中的微生物提供良好的生存環(huán)境，增加土壤中的微生物數(shù)量，刺激微生物活性，影響微生物群落特性和結(jié)構(gòu)[16-17]。生物炭具有良好的吸附能力，能吸附銨態(tài)氮等污染物，不僅提高了人工濕地系統(tǒng)的脫氮能力，還能減少人工濕地系統(tǒng)中氧化亞氮的產(chǎn)生[18-19]。為了進(jìn)一步提高生物炭對污水中氮等污染物的去除效率，將生物炭負(fù)載鈣和鎂等金屬離子，形成改性生物炭，提高了生物炭對污水中氮等污染物的去除率[20]。利用生物炭固定黃假單胞菌(Pseudomonas flavaWD-3)強(qiáng)化垂直流人工濕地，使人工濕地對低溫廢水中氮的去除效率顯著提高[21]。通過生物炭和泥鰍協(xié)同強(qiáng)化垂直潛流人工濕地，使系統(tǒng)中硝化作用和反硝化作用都有所增強(qiáng)，促進(jìn)了人工濕地中植物根的生長，增加了植物的總根長和體積，但是，隨著添加的生物炭粒徑的增大，反硝化作用強(qiáng)度降低[22]。利用生物炭和曝氣協(xié)同強(qiáng)化垂直潛流人工濕地，處理低進(jìn)水強(qiáng)度、低碳氮比的廢水，有效提高了氮的去除率，減少了氧化亞氮的釋放量，同時(shí)證實(shí)了這一強(qiáng)化措施適合處理中、低進(jìn)水強(qiáng)度的低碳氮比廢水[23]。隨著生物炭添加量的增加，潛流人工濕地系統(tǒng)的氧化亞氮排放量減小[24]。研究表明，在高進(jìn)水強(qiáng)度條件下，在人工濕地中添加生物炭能增加系統(tǒng)的氧化亞氮排放量[25]。目前，生物炭主要被應(yīng)用于垂直潛流人工濕地中，很少被應(yīng)用于水平潛流人工濕地中，尚未見利用添加生物炭的人工濕地處理含氮量高的畜禽養(yǎng)殖廢水的報(bào)道。

1.2 納米零價(jià)鐵的脫氮作用

納米零價(jià)鐵(nonoscale zero-valent iron,nZVI)是指粒徑尺度在1～100 nm 以內(nèi)的零價(jià)鐵粒子。納米零價(jià)鐵具有比表面積大、表面活性高、還原降解能力強(qiáng)、吸附性能好和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，目前主要被用于去除污水中重金屬、鹵代有機(jī)物、偶氮染料等污染物[26-27]，其在人工濕地處理污水中的應(yīng)用尚處于起步階段。

納米零價(jià)鐵具有強(qiáng)還原能力，能將污水中的硝酸鹽氮還原為氨氮，而自身被氧化成亞鐵離子，又能通過氧化作用提供電子供體參與化學(xué)反硝化[28]，這在一定程度上減少了碳源的供給。納米零價(jià)鐵在厭氧腐蝕過程中產(chǎn)生的H2可以供反硝化細(xì)菌進(jìn)行生物反硝化，在一定程度上解決了生物反硝化過程中電子供體缺失[3]的問題，使得納米零價(jià)鐵通過化學(xué)還原和生物反硝化過程提高了人工濕地對廢水的脫色和脫氮能力，尤其是提高了對硝態(tài)氮的去除能力[29]。因?yàn)榧{米零價(jià)鐵提供了還原離子，所以降低了污染物的毒性[30]。將納米零價(jià)鐵應(yīng)用于人工濕地，能對生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水等高濃度廢水起到強(qiáng)凈化作用。而且，納米零價(jià)鐵的添加改變了人工濕地系統(tǒng)微生物群落的結(jié)構(gòu)[31]，能將硝態(tài)氮還原為銨態(tài)氮，這有可能影響人工濕地系統(tǒng)中氨氣和氧化亞氮等的排放。然而，尚缺乏有關(guān)納米零價(jià)鐵的添加對人工濕地系統(tǒng)的氨氣和氧化亞氮等排放影響的報(bào)道。納米零價(jià)鐵顆粒的粒徑小，反應(yīng)活性極強(qiáng)，其穩(wěn)定性較差，在水中極易團(tuán)聚而影響其活性[3]。因此，可以通過將納米零價(jià)鐵負(fù)載于活性炭、生物炭、蒙脫石、膨潤土等材料上，增大納米零價(jià)鐵顆粒的分散性，并克服其易氧化和易團(tuán)聚等缺點(diǎn)，使納米零價(jià)鐵的應(yīng)用領(lǐng)域拓寬。

1.3 生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵的脫氮作用

生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵是一種利用綠色生物原料、綠色合成、優(yōu)良改性后的材料。生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵能降低去除水污染的材料成本，不易造成環(huán)境二次污染[32]，并且可以通過自身的吸附和還原等能力的協(xié)同作用，有效提高人工濕地系統(tǒng)對污染物的去除能力。生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵被廣泛應(yīng)用于去除污水中的有機(jī)物和重金屬污染物等[33]。生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵同時(shí)具有生物炭和納米零價(jià)鐵的特性，在水體中，生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵的鐵與碳之間能形成無數(shù)個(gè)微小的原電池，其中，鐵為負(fù)極，碳為正極，這些原電池的形成有利于加快水中電子的傳遞，因而能夠提高人工濕地系統(tǒng)的反應(yīng)速度[34]。生物炭能明顯增強(qiáng)微生物和零價(jià)鐵厭氧的脫氮能力[35]。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵能有效去除污水中的硝態(tài)氮，而且其對硝態(tài)氮的去除能力顯著高于純生物炭和純納米零價(jià)鐵，減少因硝態(tài)氮還原而產(chǎn)生的氨氮量，隨著生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵中炭含量的增加，其對硝態(tài)氮的去除效率增大，產(chǎn)生的氨氮量相對較少，促進(jìn)了對污水中總氮的去除，并且有效防止鐵等引起的二次污染[36-37]。由于生物炭提高了納米零價(jià)鐵的分散度，使得生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵比納米零價(jià)鐵具有更廣的pH 適應(yīng)范圍[29]，因此，其應(yīng)用范圍擴(kuò)大。此外，雖然生物炭因負(fù)載納米零價(jià)鐵而使其比表面積小于生物炭，但是其比表面積隨著生物炭含量的增加而增加，而利用鐵炭質(zhì)量比為1∶1的生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵去除污水中氮的效果較理想[37]。

由此可知，生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵是一種具有較大應(yīng)用前景的氮凈化材料。盡管生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵具有較多優(yōu)點(diǎn)，但是，目前有關(guān)生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵對污水中氮去除效應(yīng)的研究尚處于起步階段，還無法詮釋其作用機(jī)理，而且生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵作為填充材料添加到人工濕地中的應(yīng)用實(shí)例尚未見報(bào)道。

2 人工濕地中關(guān)鍵微生物的脫氮作用

隨著現(xiàn)代分子生物技術(shù)的迅速發(fā)展，對人工濕地中微生物的研究從傳統(tǒng)的間接功能性測定發(fā)展到分子水平和基因測序水平。利用新技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了在人工濕地中參與氮循環(huán)過程的部分微生物及其關(guān)鍵功能基因編碼。

2.1 氨氧化微生物的脫氮作用

氨氧化微生物在人工濕地中普遍存在。氨氧化微生物的豐度、結(jié)構(gòu)、多樣性和代謝活性受到pH、溶解氧含量、氧化還原電位、氨氮含量等因素的影響[38-39]。氨氧化微生物在含氧量較高的基質(zhì)表面和植物根區(qū)的數(shù)量較多[40]。利用即時(shí)聚合酶鏈鎖反應(yīng)和變性梯度凝膠技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，在水平潛流人工濕地中存在氨氧化細(xì)菌，但其活性沒有確定[41]。通過即時(shí)聚合酶鏈鎖反應(yīng)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)床的有氧環(huán)境的變化能導(dǎo)致人工濕地中氨氧化細(xì)菌和古菌的分布存在差異[42]。利用變性梯度凝膠技術(shù)對人工濕地處理奶牛場廢水的研究結(jié)果顯示，氨氧化細(xì)菌以Nitrosospira為主，實(shí)驗(yàn)期間，人工濕地系統(tǒng)內(nèi)氨氧化細(xì)菌的優(yōu)勢種群未發(fā)生變化[43]。

2.2 反硝化和厭氧氨氧化微生物的脫氮作用

反硝化微生物在人工濕地中普遍存在。反硝化微生物的種類繁多，其豐度和多樣性水平都較高。反硝化微生物能使氮元素以氧化亞氮或者氮?dú)獾男问矫撾x人工濕地系統(tǒng)[44]。在人工濕地脫氮過程中，反硝化微生物起主導(dǎo)作用。利用變性梯度凝膠技術(shù)研究反硝化微生物功能基因(nosZ)的多樣性發(fā)現(xiàn)，人工濕地底泥中的碳、氮含量越大，反硝化細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)越簡單，優(yōu)勢種群更突出；水力停留時(shí)間越長，底泥中反硝化細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜[40]。微生物的反硝化過程不僅能由反硝化細(xì)菌完成，而且真菌和古菌也能完成反硝化過程[45]。利用變性梯度凝膠電泳技術(shù)，研究處理畜禽養(yǎng)殖廢水的人工濕地中的細(xì)菌群落時(shí)發(fā)現(xiàn)，人工濕地系統(tǒng)中存在厭氧氨氧化菌[38]。利用高通量測序技術(shù)的研究結(jié)果顯示，厭氧氨氧化細(xì)菌在表面流人工濕地底泥中廣泛存在，而且厭氧氨氧化細(xì)菌的脫氮量為0.83～2.68 kg/a氮，約占人工濕地氮去除總量的10%[46]。在水平潛流人工濕地中，也存在厭氧氨氧化細(xì)菌[47]。因此，為了更好地揭示水平潛流人工濕地中厭氧氨氧化細(xì)菌脫氮作用的機(jī)理，應(yīng)該對其活性進(jìn)行深入研究。

2.3 厭氧鐵氨氧化微生物的脫氮作用

厭氧鐵氨氧化過程是一種新發(fā)現(xiàn)的氮循環(huán)途徑，在厭氧和富鐵條件下，厭氧鐵氨氧化微生物以三價(jià)鐵為電子受體氧化銨態(tài)氮，同時(shí)被還原成亞鐵離子的生物反應(yīng)過程。厭氧鐵氨氧化微生物普遍存在于河岸濕地、廢水厭氧污泥和人工濕地基質(zhì)中[48-50]。在氮的遷移轉(zhuǎn)化過程中，厭氧鐵氨氧化微生物發(fā)揮著重要作用。在自然界中，雖然存在多種鐵還原菌，但是有關(guān)驅(qū)動(dòng)厭氧鐵氨氧化反應(yīng)的鐵還原菌的報(bào)道較少。借助即時(shí)聚合酶鏈鎖反應(yīng)、變性梯度凝膠技術(shù)、16S rRNA 基因檢測技術(shù)和454焦磷酸測序技術(shù)開展的研究發(fā)現(xiàn)，在厭氧鐵氨氧化反應(yīng)中，酸微菌屬(Acidimicrobiaceae)的Acidimicrobiaceae bacteriumA6起關(guān)鍵作用[51]。而且，在人工濕地中，Acidimicrobiaceae bacteriumA6能有效增加銨態(tài)氮的去除量[52]。通過即時(shí)聚合酶鏈鎖反應(yīng)技術(shù)和16S rRNA 基因檢測技術(shù)發(fā)現(xiàn)，Geobacteraceaespp.和酸微菌Exiguobacteriumsp.B1 也能驅(qū)動(dòng)厭氧鐵氨氧化反應(yīng)過程的進(jìn)行[53-54]。由此可見，驅(qū)動(dòng)厭氧鐵氨氧化反應(yīng)的功能微生物可能是多種菌種協(xié)同作用。

以上研究多針對單一類功能微生物群落和過程獨(dú)立開展研究，盡管有些利用分子技術(shù)的研究結(jié)果表明，人工濕地系統(tǒng)內(nèi)氮轉(zhuǎn)化速率與氮轉(zhuǎn)化基因存在明顯的定量響應(yīng)關(guān)系[55]，但是未對其做進(jìn)一步研究。在人工濕地系統(tǒng)中，關(guān)鍵微生物群落同時(shí)存在，并且相互關(guān)聯(lián)，而且人工濕地系統(tǒng)內(nèi)氮轉(zhuǎn)化過程之間存在多種耦合機(jī)制，因此，需要對人工濕地系統(tǒng)內(nèi)的氮轉(zhuǎn)化微生物群落及其功能基因開展聯(lián)合研究，以深入探討微生物脫氮作用的機(jī)理。例如，利用宏基因測序技術(shù)(基因芯片技術(shù))，揭示硫循環(huán)調(diào)控電極生物膜-人工濕地系統(tǒng)中脫氮的微生物作用機(jī)制及其對環(huán)境因素變化的響應(yīng)、適應(yīng)和反饋機(jī)制，解析關(guān)鍵微生物綜合脫氮機(jī)理[56]。然而，有關(guān)生物炭、納米零價(jià)鐵、生物炭負(fù)載納米零價(jià)鐵等新型基質(zhì)強(qiáng)化人工濕地系統(tǒng)中關(guān)鍵微生物的現(xiàn)代分子生物學(xué)研究的報(bào)道很少，尤其是有關(guān)宏基因測序技術(shù)的應(yīng)用研究，大多數(shù)研究集中在利用16S rRNA基因檢測技術(shù)測序上。

3 結(jié) 語

基質(zhì)的添加能改變?nèi)斯竦匚⑸锶郝涞慕Y(jié)構(gòu)。人工濕地系統(tǒng)中的關(guān)鍵微生物在脫氮過程中相互關(guān)聯(lián)，并且存在多種耦合作用機(jī)制。目前，人工濕地中的微生物脫氮作用的機(jī)理研究尚存在不足，仍需要利用多元現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)開展深入研究。在典型基質(zhì)強(qiáng)化人工濕地脫氮的作用機(jī)理中，利用分子生物學(xué)技術(shù)，尤其將高通量測序技術(shù)和宏基因測序技術(shù)相結(jié)合，從微觀角度深入解析人工濕地中典型基質(zhì)的脫氮機(jī)理，能為優(yōu)化人工濕地脫氮效應(yīng)提供理論指導(dǎo)。