2018-07-19
正文(wen)
最近(jin)，派(pai)森諾生(sheng)物(wu)(wu)與(yu)上(shang)海交通大(da)學合作(zuo)，在(zai)《Environmental Pollution》（影響因子：4.358）發表論文，研(yan)究了水(shui)生(sheng)植物(wu)(wu)凋(diao)落物(wu)(wu)在(zai)分解過程中對(dui)人工濕地(di)系統生(sheng)態環境及微生(sheng)物(wu)(wu)群落的影響。
研究背景
人工(gong)濕(shi)地（CWs）是一種(zhong)綜合性的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)態系統(tong)，能(neng)夠有(you)效地去(qu)除(chu)由于(yu)物(wu)(wu)(wu)理、化學(xue)(xue)過(guo)程(cheng)，尤其是生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)效應而(er)引起的(de)(de)水(shui)污(wu)(wu)染。然而(er)，由于(yu)反硝化過(guo)程(cheng)中(zhong)碳源的(de)(de)需求，CWs系統(tong)在(zai)低(di)C/N的(de)(de)廢(fei)水(shui)(如城市(shi)污(wu)(wu)水(shui)處理廠的(de)(de)廢(fei)水(shui)、非(fei)點源污(wu)(wu)染廢(fei)水(shui))處理時不能(neng)達(da)到預期(qi)的(de)(de)效果。作為CWs系統(tong)的(de)(de)重(zhong)要(yao)部分(fen)，水(shui)生(sheng)(sheng)(sheng)植(zhi)物(wu)(wu)(wu)在(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)長過(guo)程(cheng)中(zhong)可以有(you)效吸收和過(guo)濾流動廢(fei)水(shui)中(zhong)的(de)(de)氮(dan)、磷、重(zhong)金(jin)屬、有(you)機(ji)物(wu)(wu)(wu)和其他污(wu)(wu)染物(wu)(wu)(wu)。因此，CWs系統(tong)中(zhong)水(shui)生(sheng)(sheng)(sheng)植(zhi)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)培養是減少污(wu)(wu)染和修復(fu)生(sheng)(sheng)(sheng)態的(de)(de)重(zhong)要(yao)途徑。水(shui)生(sheng)(sheng)(sheng)植(zhi)物(wu)(wu)(wu)在(zai)水(shui)生(sheng)(sheng)(sheng)生(sheng)(sheng)(sheng)態系統(tong)中(zhong)的(de)(de)營(ying)養物(wu)(wu)(wu)質和其他化學(xue)(xue)成分(fen)的(de)(de)自(zi)然循(xun)環(huan)中(zhong)起著重(zhong)要(yao)作用。因此，研(yan)究CWs系統(tong)中(zhong)水(shui)生(sheng)(sheng)(sheng)植(zhi)物(wu)(wu)(wu)凋落物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)分(fen)解過(guo)程(cheng)至關重(zhong)要(yao)。
研究目的
本研究的主(zhu)要目的是找(zhao)出選定的水生植物(wu)（水葫蘆(lu)、黑(hei)藻和香蒲）凋(diao)落物(wu)的分解規律，分解過程對水質的影響以及植物(wu)凋(diao)落物(wu)的潛在應用(yong)。
1、分解過(guo)程中植(zhi)物凋(diao)落物用量(liang)對水質的影(ying)響(xiang)；
2、有和無沉(chen)積物在分解(jie)過程之間的差(cha)異，以(yi)確定沉(chen)積物的影(ying)響；
3、對三種水生植物(wu)的(de)分解過程進行比(bi)較，以確定(ding)選擇的(de)凋(diao)落(luo)(luo)物(wu)分解對水的(de)影響，并選擇合適的(de)植物(wu)凋(diao)落(luo)(luo)物(wu)作為CWs系統反硝化過程的(de)潛(qian)在碳(tan)源(yuan)。
研究方法
測(ce)序技術：Illumina MiSeq高(gao)通量測(ce)序平臺
測序模(mo)式：微生物組(zu)細菌(jun)16S rRNA基因V4-V5區(qu)測序
實(shi)驗(yan)設計：不同重量的植(zhi)物(wu)凋落(luo)(luo)(luo)物(wu)（0.1/0.5/1.0 g/L）分別(bie)放在尼龍袋里，放入加(jia)了(le)2L超純(chun)水(shui)的燒杯(bei)中。分別(bie)于0，2，4，6，8，10，17，24，31，46和(he)61天，10:00 am取樣(yang)。空白水(shui)對照、0.1g/L植(zhi)物(wu)凋落(luo)(luo)(luo)物(wu)、0.5g/L植(zhi)物(wu)凋落(luo)(luo)(luo)物(wu)、1g/L植(zhi)物(wu)凋落(luo)(luo)(luo)物(wu)、0.5g/L植(zhi)物(wu)凋落(luo)(luo)(luo)物(wu)加(jia)2cm高沉(chen)積(ji)(ji)物(wu)、2cm高沉(chen)積(ji)(ji)物(wu)對照。
圖1 實驗設計
研究結果
1、PH和DO的影響
三種(zhong)植物的(de)(de)(de)pH值隨添(tian)(tian)加量(liang)不同而不同，其pH值的(de)(de)(de)變(bian)化趨勢是相(xiang)似的(de)(de)(de)。對于每一種(zhong)植物凋落(luo)物，當向水中添(tian)(tian)加更高(gao)劑量(liang)的(de)(de)(de)植物凋落(luo)物時，都會產生更大(da)的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)。分解過程對pH值（受體水pH值變(bian)化幅度）的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)順序為水葫蘆>黑(hei)藻>香(xiang)蒲(pu)，特別是在開始時。添(tian)(tian)加沉積物的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)較小。結果表明，添(tian)(tian)加沉積物可以降低植物分解的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)。
在(zai)不添(tian)(tian)加(jia)沉積物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)情況下，三種植(zhi)(zhi)物(wu)(wu)(wu)凋(diao)落(luo)(luo)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)DO變(bian)化趨(qu)勢相同。對于(yu)每一種植(zhi)(zhi)物(wu)(wu)(wu)凋(diao)落(luo)(luo)物(wu)(wu)(wu)，隨(sui)著植(zhi)(zhi)物(wu)(wu)(wu)凋(diao)落(luo)(luo)物(wu)(wu)(wu)量(liang)的(de)(de)增(zeng)加(jia)，影(ying)響(xiang)變(bian)大。當添(tian)(tian)加(jia)沉積物(wu)(wu)(wu)時，水中的(de)(de)DO下降得更(geng)快，可能是由于(yu)沉積物(wu)(wu)(wu)中微(wei)(wei)生物(wu)(wu)(wu)加(jia)速分解(jie)(jie)(jie)所致。總的(de)(de)來說，在(zai)整(zheng)個分解(jie)(jie)(jie)過程(cheng)中，對DO的(de)(de)影(ying)響(xiang)（受(shou)體水DO的(de)(de)變(bian)化程(cheng)度）遵循黑藻>水葫蘆(lu)>香蒲的(de)(de)順序。沉積物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)增(zeng)加(jia)會增(zeng)加(jia)凋(diao)落(luo)(luo)物(wu)(wu)(wu)分解(jie)(jie)(jie)對水DO的(de)(de)影(ying)響(xiang)。
圖2 分解進程對PH的影(ying)響(xiang)
圖3 分解(jie)進程對(dui)DO的影響
2、有(you)機碳的影(ying)響
在不添(tian)加污泥的(de)情況(kuang)下(xia)，三種植(zhi)(zhi)物(wu)凋落(luo)(luo)物(wu)的(de)TOC變化趨(qu)勢(shi)相似。當添(tian)加沉(chen)(chen)積物(wu)進入(ru)分(fen)解過程時，水中的(de)TOC明顯高于沒(mei)有沉(chen)(chen)積物(wu)的(de)TOC。同時存在植(zhi)(zhi)物(wu)凋落(luo)(luo)物(wu)和沉(chen)(chen)積物(wu)時的(de)TOC比單(dan)獨添(tian)加植(zhi)(zhi)物(wu)凋落(luo)(luo)物(wu)和沉(chen)(chen)積物(wu)時的(de)總量還低(di)。分(fen)解對TOC的(de)影響，可總結為水葫蘆>黑藻>香蒲。添(tian)加沉(chen)(chen)積物(wu)可以(yi)增大植(zhi)(zhi)物(wu)凋落(luo)(luo)物(wu)分(fen)解對水體TOC的(de)影響。
3、氮釋放(fang)的影響
氮(dan)濃度是(shi)生(sheng)態系統的(de)一(yi)個重要參數，它可以(yi)(yi)影響水(shui)生(sheng)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(即水(shui)生(sheng)植(zhi)物(wu)(wu)(wu)(wu)、微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)、魚類等)以(yi)(yi)及天然水(shui)中(zhong)的(de)整體(ti)生(sheng)態平衡。在整個分(fen)解過(guo)程(cheng)中(zhong)，對(dui)(dui)受(shou)體(ti)水(shui)TN的(de)影響順序是(shi)：水(shui)葫蘆>黑(hei)藻>>香蒲。添加沉積物(wu)(wu)(wu)(wu)可以(yi)(yi)降低凋落物(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)解對(dui)(dui)水(shui)體(ti)TN的(de)影響。凋落物(wu)(wu)(wu)(wu)分(fen)解過(guo)程(cheng)中(zhong)主要釋(shi)放(fang)的(de)氮(dan)為水(shui)葫蘆的(de)NH3-N和有(you)(you)機氮(dan)，黑(hei)藻的(de)NH3-N和有(you)(you)機氮(dan)，香蒲的(de)有(you)(you)機氮(dan)和NO3-N，說(shuo)明有(you)(you)機氮(dan)是(shi)所有(you)(you)植(zhi)物(wu)(wu)(wu)(wu)凋落物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)一(yi)種釋(shi)放(fang)氮(dan)。
4、磷釋放的(de)影(ying)響
三種(zhong)植(zhi)物(wu)(wu)(wu)凋落(luo)物(wu)(wu)(wu)中(zhong)TP的(de)變化(hua)趨勢相似。一開始急劇增加，之(zhi)后(hou)逐漸(jian)減少，最后(hou)達到一個穩定值。對于三種(zhong)植(zhi)物(wu)(wu)(wu)凋落(luo)物(wu)(wu)(wu)，添加高劑量的(de)凋落(luo)物(wu)(wu)(wu)時影響(xiang)更(geng)大。添加沉積物(wu)(wu)(wu)可以明顯降低對TP的(de)影響(xiang)。對TP的(de)影響(xiang)排序為(wei)水葫蘆>黑藻>香蒲。
圖4 分解過程對TN的影(ying)響
圖5 分解(jie)過程對TP的影響
5、微生物組(zu)分析
為了研究(jiu)不同植物(wu)凋落(luo)物(wu)分(fen)解后(hou)的(de)(de)(de)微生物(wu)，在添加和不添加沉積(ji)物(wu)的(de)(de)(de)情況下(xia)，根(gen)據(ju)之前(qian)的(de)(de)(de)研究(jiu)進行微生物(wu)群(qun)落(luo)分(fen)析(xi)。用PCA來評估不同燒杯中(zhong)微生物(wu)群(qun)落(luo)的(de)(de)(de)相似(si)(si)性。PCA分(fen)析(xi)結果表(biao)明，水葫蘆(lu)分(fen)解后(hou)的(de)(de)(de)微生物(wu)群(qun)落(luo)與黑(hei)藻相似(si)(si)，與香蒲(pu)的(de)(de)(de)微生物(wu)群(qun)落(luo)差異(yi)較大。然而(er)，對于(yu)水葫蘆(lu)和黑(hei)藻，有沉積(ji)物(wu)在分(fen)解過程中(zhong)的(de)(de)(de)微生物(wu)群(qun)落(luo)與沒有沉積(ji)物(wu)的(de)(de)(de)微生物(wu)群(qun)落(luo)非常不同，表(biao)明沉積(ji)物(wu)是造成它(ta)們群(qun)落(luo)變(bian)化的(de)(de)(de)原因。然而(er)，當添加沉積(ji)物(wu)時，香蒲(pu)分(fen)解后(hou)的(de)(de)(de)微生物(wu)群(qun)落(luo)沒有大的(de)(de)(de)變(bian)化，這可能是由于(yu)香蒲(pu)在水中(zhong)的(de)(de)(de)組成緩慢。
表1 植物(wu)凋落物(wu)分解過程中的(de)優勢菌(jun)
圖6 PCA分析(xi)
總結
該研究(jiu)對三種(zhong)不同劑量和(he)(he)(he)沉積物條(tiao)件(jian)的(de)(de)植物凋(diao)落物分(fen)解過(guo)程進行了研究(jiu)，以確定(ding)pH，DO，TOC，TN，NH3-N，NO3- -N，NO2--N和(he)(he)(he)TP對水(shui)環境的(de)(de)影響(xiang)。首先，對于(yu)(yu)大(da)多(duo)數水(shui)指標（NO3- -N和(he)(he)(he)NO2- -N除外），分(fen)解的(de)(de)影響(xiang)遵循水(shui)葫蘆>黑藻(zao)>香(xiang)蒲(pu)(pu)的(de)(de)順(shun)序。一般來說，植物凋(diao)落物的(de)(de)劑量越(yue)(yue)大(da)，影響(xiang)越(yue)(yue)大(da)。添加污(wu)泥可(ke)以增強或減少這種(zhong)影響(xiang)。其次，水(shui)葫蘆和(he)(he)(he)黑藻(zao)氮釋放(fang)的(de)(de)主(zhu)要(yao)(yao)形式是(shi)NH3--N和(he)(he)(he)有(you)機氮，而香(xiang)蒲(pu)(pu)主(zhu)要(yao)(yao)是(shi)有(you)機氮和(he)(he)(he)NO3--N。第三，水(shui)葫蘆、黑藻(zao)和(he)(he)(he)香(xiang)蒲(pu)(pu)凋(diao)落物分(fen)解之后，水(shui)中平(ping)均C/N分(fen)別達(da)到2.6、5.3和(he)(he)(he)20.3，香(xiang)蒲(pu)(pu)凋(diao)落物比水(shui)葫蘆和(he)(he)(he)黑藻(zao)分(fen)解的(de)(de)慢。因此，香(xiang)蒲(pu)(pu)凋(diao)落物的(de)(de)分(fen)解可(ke)能更有(you)利于(yu)(yu)生態系統中含(han)氮量高的(de)(de)廢水(shui)的(de)(de)處理。
文(wen)章(zhang)索引：
Suqing Wu, Shengbing He, Weili Zhou, Jianya Gu, Jungchen Huang, Lei Gao,Xu Zhang(2018).Decomposition characteristics of three different kinds of aquatic macrophytes and their potential application as carbon resource in constructed wetland.Environmental Pollution231(2017) 1122–1133.
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