人工湿地微生物生态学研究.pdf

人工湿地微生物生态学研究(山东省城建设计院，济南 250000)摘要:本文从微生物生态学的角度阐述了脱氮的细菌和真菌、硫酸盐还原细菌以及和产甲烷细菌等主要功能微生物的相关研究进展，并总结了水生植物、营养物质以及基质、温度等对人工湿地中微生物的空间分布的影响，对人工湿地微生物生态学的前景进行了展望，为相关研究提供资料和借鉴。关键词:人工湿地；微生物生态学；功能微生物；空间分布中图分类号:X703 文献标志码:A 文章编号：1674-263X(2023)04-0001-03Abstract:From the perspective of microbial ecology,this paper reviewed the research progress of major functional microorganisms such as nitrogen-removing bacteria and fungi,sulfate-reducing bacteria and methanogenic bacteria,summarized the effects of aquatic plants,nutrients,substrate,temperature and other factors on on the spatial distribution of microorganisms in constructed wetlands.It provides an outlook on the microbial ecology of artificial wetlands and serves as a reference for relevant research.Key words:constructed wetland;microbial ecology;functional microorganisms;spatial distributionResearch on microbial ecology of constructed wetlandsZHAO Shuda,WANG Zheng,DING Xiaoyang(Shandong Urban Construction Design Institute,Jinan 250000,China)人工湿地是以一种模拟自然湿地系统，通过人工建造，将基质、植物、微生物等组合而成的一种污水处理系统1-2。主要通过微生物分解作用、植物吸收、基质的吸附以及离子交换等一系列反应，来达到污水处理的目的。人工湿地系统中，利用微生物的代谢作用，可以有效降低湿地水体中有机污染物的含量。近几年，对人工湿地的研究从基质、植物种类、处理效率等方面渐渐深入至微生物生态型领域。因此，对人工湿地系统中微生物的生态学研究更能够有效帮助我们理解在湿地净化过程中，组成人工湿地的各成分之间的协同处理效果和净化机制，并为提高人工湿地的处理效率和了解人工湿地的生物多样性提供理论指导。1人工湿地系统中微生物功能概论现今，对人工湿地系统中的微生物生态学的研究主要集中在参与脱氮的细菌和真菌、硫酸盐还原细菌以及和产甲烷细菌等微生物。1.1 人工湿地中参与脱氮作用的微生物菌种人工湿地具有良好的脱氮效果，其系统中具有脱氮功能的氨化细菌、硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌丰度均处于较高水平，这也是利用人工湿地进行深度脱氮的主要原因。研究表明，湿地系统的脱氮菌属主要包括了 AOB、Thauera、Denitratisoma 等。Aakanksha 等3对印度斋普尔两个深层人工湿地的脱氮进行研究分析发现，除微生物的硝化-反硝化作用外，Anammox 是人工湿地脱氮的关键途径之一，其中 AOB 菌属的丰度明显提高；邵媛媛4通过对人工湿地六类高效脱氮菌进行研究发现，LZ-4，LZ-14，XP-1，XP-2，CL-1，CL-3污水中的氮具有良好的去除效果，均可作为强化人工湿地的优势菌群。近几年研究发现，在好氧或中度还原条件下，真菌和细菌的反硝化作用基本相同。近年来，对人工湿地脱氮微生物分子水平甚至基因序列等水平的研究也愈发广泛。研究发现，氮转化速率与编码氮转化关键酶的基因存在着明显的定量响应关系。人工湿地中脱氮微生物进行氨化、硝化、反硝化作用的关键酶的编码基因主要有 amoA，收稿日期：2023-06-06 作者简介：赵树达，工程师，研究方向为市政给水、排水工程设计。赵树达，王政，丁小洋Vol.36 No.4Jul.,2023第 36 卷 第 4 期2023 年 7 月黑 龙 江 环 境 通 报HEI LONG JIANG ENVIRONMENTAL JOURNAL2第 36 卷黑 龙 江 环 境 通 报nosZ，nirS 等。李鹭珍等5在对潮汐流人工湿地的研究中，检 测 出 ANO、(nap A+nar G)、amo A、nxrA、nirS、qnorB 和 nosZ 等 8 种氮转化功能基因，建立了不同水文条件下氮转化速率与氮转化功能基因之间的定量响应关系。Jones 等6研究发现，编码反硝化作用的基因序列 nosZ 广泛存在于反硝化微生物中。研究结果表明，人工湿地中氮的转化过程存在多种机制，是多种脱氮菌属和功能酶联合作用的结果。1.2 人工湿地中参与硫转化作用的微生物菌种含酸废水中含有硫酸盐，当此类受污染的水体进入人工湿地系统中，会造成脱硫菌种富集。硫酸盐还原菌属于厌氧菌，广泛存在于地下水管道以及河湖等缺氧环境中，硫酸盐还原菌能够还原硫酸盐为硫化氢。有研究表明，当湿地水体中硫酸盐含量高时，湿地中的硫酸盐还原菌会逐渐变为优势菌种。Yang 等7对污水中的缺氧硫化物进行研究发现，当湿地中硝酸盐浓度较低而硫酸盐含量较高时，硫酸盐还原菌为优势菌属。污水中的硫氧化细菌可以氧化硫化物来获得能量。研究发现，硫氧化细菌的代谢方式丰富，例如，某些自养型硫氧化细菌能够在厌氧条件下利用乙炔合成有机物，并通过氧化硫化物获得能量；异养型硫氧化菌则是以有机物作为碳源，也可以将硫化物作为能量来源。硫酸盐是许多被污染水体中的常见污染物，并且，含硫化合物普遍存在于人工湿地中，对人工湿地在硫元素的转化研究方面需要进一步分析和探索。1.3 人工湿地中参与甲烷转化的微生物菌种甲烷是自然环境中重要的温室气体。研究发现，自然湿地和农田湿地会向环境中释放大量的甲烷气体。在人工湿地中，产甲烷菌和甲烷氧化菌对甲烷气体的排放有重要影响。污水中的有机物能够在厌氧条件下，通过水解发酵菌和产甲烷菌协同处理，将其最终氧化为甲烷气体。Conrad 等8研究了巴西潘塔纳尔和亚马逊地区 16 个不同湖泊沉积物的样品来测量甲烷气体的产生情况，确定了产甲烷古菌中细菌和丰富程度及其群落组成和多样性，CH4的产率和 CO2与沉积物中有机质含量和古细菌丰度有关。甲烷氧化菌，是以甲烷作为唯一碳源和能源进行同化和异化代谢的微生物。可以在氧气的作用下催化甲烷等低碳烷烃或烯烃羟基化或环氧化，并最终转换成 CO2，同时，还可以将甲烷同化，转化为生物体可利用的碳源。在某些条件下，甲烷氧化菌可以在代谢过程中产生某些中间产物，如甲醛等，这些中间代谢产物可以作为其他微生物生长发育的营养物质。程呈9对人工湿地中产甲烷群落进行研究分析发现，经过 500d 的富集培养,甲烷氧化菌功能基因 pmoA 增加了 38，甲基球菌目中的甲基暖菌属成为相对丰度最高的甲烷氧化菌。2人工湿地微生物空间分布的影响 因素2.1 水生植物对微生物的影响水生植物对人工湿地中微生物空间分布的影响主要表现为：1）水生植物作为各种微生物、微型动物生长繁殖、栖息的场所；2）人工湿地中，植物的根系部分会进行泌氧，使根区附近的溶解氧浓度升高，更有利于好氧微生物的生长，同时，距离根区较远的部分溶解氧浓度则相对较低，营兼性或缺氧呼吸的微生物数量则较为丰富；3）植物根部分泌的低分子量有机物作为微生物生长的营养来源；4）湿地系统中，不同的植物种类会对微生物的种类和数量产生一定的影响。研究发现，在人工湿地中，多植物系统中的微生物种类更丰富，植物可以作为微生物的栖息环境，因此，所表现出的对有机污染物的降解能力更高。早在 20 世纪 90 年代，德国科学家 Brix Hans 就提出了根区理论10：由于好氧微生物的代谢作用，导致距离根区较远的区域中溶解氧被消耗，使其呈现缺氧区，而距离根区更远的区域则变为厌氧区。在此条件下，在人工湿地中便出现了厌氧、缺氧、好氧的不同溶解氧区域。Salomo 等11通过对人工湿地中植物根系与微生物代谢的相关性研究发现，在表层土壤中，由于受植物根系等的影响，有机物种类丰富，微生物代谢的多样性明显增加。同时，人工湿地中不同植物配置对菌属的影响也不同。周炜等12的研究表明,根区的硝化细菌和亚硝化细菌数量要比基质层中高一个数量级，并且种植 3 种不同植物的人工湿地中，其根区硝化细菌的数量依次为茭草水葱鸢尾，说明种植不同植物的人工湿地中其微生物数量存在差异。2.2 营养物质对微生物的影响人工湿地中的微生物需要有充足的营养物质来进行代谢活动，而湿地中的营养物质主要来源于系统进水。相关研究表明：微生物的营养类型和数量与其营养物质的含量成正相关。进水中污染负荷高即营养物质充足更有利于微生物量的积累。李今等13从基质生物膜量、生物膜厚度和脱氢酶活性等方面研究了以复合垂直流人工湿地中基质颗粒作为附着生长载体的生物膜的特性时发现，复合垂直流人工湿地中,基质生物膜的形成时间为 4060d。进水水质不同,基质生物膜的形成时间有差异,进水中相对3第 4 期赵树达，等：人工湿地微生物生态学研究高的营养水平有利于基质生物膜的积累，60d 内形成的稳定生物膜量相差 1.59 倍，生物膜活性也较大，平均相差 1.5 倍。湿地的布水方式以及水流方向对微生物量的影响明显。研究发现，下行池的生物量要远高于上行池。并且沿水流方向，水中污染物的含量逐渐降低，其生物量也逐渐降低。主要是因为，污水中的有机负荷在前段相对较高，而在中后段有机物逐渐被分解，微生物生长所需的营养物质匮乏，使微生物量减少。2.3 基质、温度等对微生物的影响研究表明，在不同基质的人工湿地系统中，微生物量存在较为明显的差别，且在同一植物的不同土壤环境中，微生物量也存在不同。基质层对微生物的影响主要体现在土壤中营养物质的种类和含量。当春耕季节，农业土壤中的氮、磷等物质随径流进入湿地环境中，促进了微生物的生长。蒋玲燕等14研究发现，多级填料的人工湿地比单一填料的人工湿地生物量要明显增多。温度不仅影响湿地中微生物的代谢速率，还影响其他环境条件，进而使微生物群落的结构和数量发生变化。大量研究显示，人工湿地中微生物的种类和数量在夏秋季节最多，冬季等气温较低时则相对较少，微生物量随季节变化明显。Chong 等15研究人工湿地中微生物数量随季节的变化时发现，在春夏时节，人工湿地中微生物量最大，秋冬季节则相对较少。3展望目前对人工湿地中微生物的生态学研究相对较少，且多数集中于传统技术的间接微生物功能性研究，缺少对氮转化菌群与其功能基因全面系统的定量研究。因此，有必要开发以功能基因研究为基础的其他分子技术来全面研究人工湿地中微生物群落功能特征，以日益多样的氮素转化功能基因为研究对象，明确湿地微生物对湿地系统去污能力的影响，这将对人工湿地的设计、去污、运行和管理具有十分重要的意义。参考文献：1JIA Lixia,GOU Enfang,LIU Hai,et al.Exploring utilization of recycled agricultural biomass in constructed wetlands:characterization of the driving force for high-rate nitrogen removalJ.Environmental Science&Technology,2019,53(3):1258-1268.2ZHANG Hong,TANG Wenzhong,WANG Weidong,et al.A review on Chinas constructed wetlands in recent three decades:application and practiceJ.Journal of Environmental Sciences,2021,104:53-68.3RAMPURIA A,GUPTA A B,BRIGHU U.Nitrogen transformation processes and mass balance in deep constructed wetlands treating sewage,exploring the anammox contributionJ.Bioresource Technology,2020,314:123737-1237374邵媛媛.高效脱氮菌强化人工湿地处理村镇生活污水工艺研究 D.济南：山东大学,2014.5李鹭珍.潮汐流人工湿地氮转化微生态过程的分子机制研究 D.长春：东北师范大学,2015.6JONES C M,Graf D R,BRU D,et al.The unaccounted yet abundant nitrous oxide-reducing microbial community:a potential nitrous oxide sinkJ.The ISME Journal,2013,7(2):417-426.7YANG W,VOLLERTSEN J,HVITVED J T.Anoxic sulfide oxidation in wastewater of sewer networksJ.Water Science and Technology,2005,52(3):191-199.8CONRAD R,NOLL M,CLAUS P,et al.Stable carbon isotope discrimination and microbiology of methane formation in tropical anoxic lake sedimentsJ.Biogeosciences,2011,8(84):795-814.9程呈.人工湿地系统中甲烷和氧化亚氮的同步消减及机制研究 D.济南：山东大学,2019.10BRIX H.Use of constructed wetlands in water pollution control:historical development,present status,and future perspectivesJ.Water Science and Technology,1994,30(8):209-223.11SALOMO S,MNCH C,RSKE I.Evaluation of the metabolic diversity of microbial communities in four different filter layers of a constructed wetland with vertical flow by Biolog analysisJ.Water Research,2009,43(18):4569-4578.12周炜,黄民生,年跃刚.植物配置对构造湿地根际区硝化菌群及脱氮影响 J.环境工程,2006(3):18-20,2.13李今,马剑敏,张征,等.复合垂直流人工湿地中基质生物膜的特性 J.长江流域资源与环境,2006(1):54-57.14蒋玲燕,殷峻,闻岳,等.修复受污染水体的潜流人工湿地微生物多样性研究 J.环境污染与防治，2006(10):734-737.15CHONG S,GARELICK H,REVITT D M,et al.The microbiology associated with glycol removal in constructed wetlandsJ.Water Science and Technology,1999,40(3):99-107.