微塑料暴露下有_无植物人工湿地脱氮性能的对比.pdf

第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.微塑料暴露下有/无植物人工湿地脱氮性能的对比黄 娟李 瑞马溢轩韩庭苇曹美芳钱秀雯(东南大学土木工程学院 南京)摘要:为揭示湿地植物对微塑料暴露湿地脱氮性能的影响构建了 组垂直流人工湿地(黄菖蒲湿地和无植物湿地)对比了聚苯乙烯微塑料()短期和长期暴露下 组湿地植物和微生物生态效应及脱氮性能的差异.结果表明 组湿地均可实现 的有效去除去除率均超过.短期暴露下黄菖蒲湿地体现出更高的脱氮性能而 的长期暴露对黄菖蒲光系统和抗氧化系统将产生不利影响叶片光合色素质量分数下降了.短期及长期暴露下黄菖蒲湿地中微生物物种丰富度和多样性更高硝化细菌和反硝化细菌的整体丰度也高于无植物湿地.以上结果为同步去除污水中氮素和微塑料的人工湿地设计提供了参考.关键词:人工湿地植物脱氮微塑料功能菌中图分类号:文献标志码:文章编号:()/():()().:收稿日期:.作者简介:黄娟()女博士教授博士生导师.基金项目:江苏省科技厅重点研发资助项目().引用本文:黄娟李瑞马溢轩等.微塑料暴露下有/无植物人工湿地脱氮性能的对比.东南大学学报(自然科学版)():.:./.环境中的塑料垃圾经紫外线辐射、机械磨损和生物降解等过程后分解破碎形成小颗粒的微塑料(粒径小于 )对生态系统和人类健康造成威胁.微塑料经地表径流、污水排放等方式进入污水处理系统而传统污水厂中机械搅拌和曝气等流程加速了微塑料的破碎增加了其向自然水体:/.泄漏的风险太湖中检测出全球淡水湖泊浮游生物网中微塑料的最高水平平均丰度为.个/.人工湿地可以通过基质和植物的物理拦截有效去除微塑料但受限于分离和定量的技术手段植物种植在人工湿地去除微塑料中的作用鲜有报道.污水中氮素主要通过微生物驱动的硝化和反硝化过程去除许多研究报道了微塑料对序批式活性污泥工艺()、好氧颗粒污泥、膜生物反应器中硝化和反硝化细菌的毒性作用.与活性污泥工艺相比人工湿地不仅可以通过植物吸收和基质吸附加强氮素的去除还可以通过植物调节刺激微生物活性促进氮素在湿地中的生物降解过程.因此当人工湿地面临微塑料污染胁迫时探究有/无植物人工湿地的脱氮性能和微生物群落差异对理解湿地生态功能尤为重要.研究表明植物具有独特的生长和保护机制受污染物胁迫时会产生适应性生理调节甚至出现枯萎死亡的现象直接影响湿地脱氮性能.同时由于植物的生长状况、泌氧能力和根系分泌物组成影响着湿地微环境微塑料对植物的胁迫可能会影响氮转化功能菌的组成和分布从而间接导致湿地脱氮性能的变化.因此探究微塑料短期和长期暴露下湿地植物生理状况的变化和调控是阐明湿地脱氮影响机制的重要信息.本试验选用聚苯乙烯微塑料()作为研究对象黄菖蒲为试验植物构建了黄菖蒲湿地和无植物湿地旨在探究 短期和长期暴露下有/无植物人工湿地微塑料去除和脱氮性能的差异 对植物光系统和抗氧化系统的影响 以及有/无植物湿地微生物群落结构和脱氮功能细菌丰度的差异.材料与方法.试验材料和合成污水本试验采用的 分散液购自天津倍思乐色谱技术开发中心不含添加剂或塑化剂等杂质成分.使用动态光散射仪()和傅里叶变换红外吸收光谱仪()对微塑料聚合物粒径和类型进行表征如图 所示.样品的平均粒径为 分散性良好无明显聚集且 谱图与聚苯乙烯结构一致.本试验采用的合成污水模拟城市污水处理厂进水水质进行配置以葡萄糖为碳源尿素、硫酸铵为氮源磷酸二氢钾为磷源进水、()粒径分布()图图 分散液的粒径分布和 图、和 的理论质量浓度分别为、/.研究表明污水厂进水中微塑料质量浓度可达到./考虑到未来塑料制品的大规模生产和排放 本试验中 的暴露水平设为 /.正式试验阶段将超声处理()后的 分散液投加进合成污水中配置成质量浓度为/的 悬浮液.人工湿地装置搭建和运行在实验室搭建无植物湿地()和黄菖蒲湿地()组垂直流人工湿地如图 所示.装置主体采用有机玻璃制作内部由上至下填充 层粒径不同的砾石每个装置孔隙体积为 .合成污水以间歇流的方式投加到人工湿地中以水力停留时间()为一个周期连续培养 直至营养物质去除率不随时间发生明显波动即认为装置达到稳定去除其中 的、和 图 人工湿地装置示意图(单位:)第 期黄娟等:微塑料暴露下有/无植物人工湿地脱氮性能的对比:/.平均去除率分别稳定在.、.和.的、平均去除率分别稳定在.、.和.然后向 组湿地中加入含有 的废水.样品采集和测定试验期间每个周期采集人工湿地进水和出水样品按照标准方法测定、和 的浓度.整个试验分为短期暴露()和长期暴露()个阶段各阶段分别收集湿地出水样品采用浊点萃取与热裂解气相色谱质谱联用的方法测定 的浓度.在 短期和长期暴露阶段分别从黄菖蒲湿地中采集生长状态相同的叶片使用南京建成生物工程研究所的试剂盒测定植物的超氧化物歧化酶()、过氧化物酶()、过氧化氢酶()活性和丙二醛()含量并参照 的方法测定叶绿素()、叶绿素()、总叶绿素()和类胡萝卜素()含量.试验结束时分别从 组装置的砂石层的相同深度范围内(深度处)采集 个不同点位的基质样品将 个样品混合均匀后进行 测序探究组间微生物群落差异.数据分析采用 .统计软件通过配对 检验对 组湿地的水质差异进行统计学分析通过皮尔逊相关性分析确定出水中各氮素组成对 去除的贡献.结果与讨论.去除效果对比本试验对 短期和长期暴露下 组湿地出水中的 浓度进行了精确定量如表 所示.和 中 的出水浓度相近短期和长期暴露下去除率均超过.结果表明 组人工湿地均可实现 的高效去除这可能是因为基质和生物膜吸附是湿地去除微塑料的主要机制.出水浓度随暴露时间的延长增加了.说明 在人工湿地中的广泛积累导致基质生物膜和植物根系表 两组人工湿地各阶段 出水浓度阶段出水质量浓度/()短期暴露.长期暴露.吸附位点趋于饱和长期暴露时有泄漏风险.同时湿地内部截留的大量微塑料可能会对湿地微生物和植物产生不利影响亟须进一步探讨.湿地脱氮性能的差异本试验考察了 短期和长期暴露下 组湿地的脱氮效果结果如图 所示.短期()()()()图 两组湿地各阶段、和 的进出水浓度和去除率变化东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.暴露下 和 的 平均出水质量浓度分别为.和./黄菖蒲种植使得 去除效率提高了.(.)长期暴露下组湿地 平均出水质量浓度分别为.和./去除率无显著性差异.类似地短期暴露下 和 的 平均出水质量浓度分别为.和./黄菖蒲种植使 去 除 率 显 著 提 高 了.(.)长期暴露下 组湿地 平均出水质量浓度分别为.和./去除率无显著性差异.结果表明 短期暴露下黄菖蒲湿地的 和 去除能力更强长期暴露时黄菖蒲湿地的脱氮性能下降.此外 是出水中氮素组成的主要成分皮尔逊相关性分析表明 组湿地中 去除率与 去除率均呈现显著正相关关系(.)说明湿地脱氮主要依赖于硝化作用.低溶解氧时硝化过程是湿地氮素转化的限速步骤植物可以通过泌氧作用提高微环境中溶解氧浓度调节氧化还原电位刺激氨氧化菌和硝化细菌活性促进湿地中 的去除.此外植物可以通过直接吸收强化湿地脱氮性能等的报道称植物吸收对 去除的贡献率可达.而 长期暴露时植物生理系统受损氧气输送和有机质分泌能力下降同时植物的腐解消耗了湿地中的溶解氧限制了硝化过程使得 和 出水浓度增加.在 短期和长期暴露下 和 中的 均得到高效去除平均出水质量浓度分别为.和./黄菖蒲湿地 出水浓度始终高于无植物湿地(.).湿地中 主要通过反硝化过程去除植物的根系泌氧作用增加了湿地中的溶解氧浓度不利于反硝化过程的进行因此随着黄菖蒲湿地中 的不断氧化 出现积累.类似地 中 的出水浓度显著高于(.)说明黄菖蒲湿地中发生了 积累.黄菖蒲的生理响应植物的生长状况影响着人工湿地脱氮性能而叶绿素、叶绿素 和类胡萝卜素的含量是评估逆境条件下植物光合能力和生长状况的重要指标.如图 所示 短期暴露时黄菖蒲中的叶绿素、叶绿素 和总叶绿素的质量分数分别为.、.和.长期暴露时分别降低了.、.和.类胡萝卜素质量分数在短期暴露时为.长期暴露时下降了.结果表明与 短期暴露相比 长期暴露可能使得黄菖蒲的光系统和叶绿体结构发生了进一步损伤在一定程度上对植物的光合作用和生长发育产生不利影响从而抑制了其在湿地中的生态功能这与 在 暴露后期脱氮性能的下降相一致.图 黄菖蒲各阶段光合色素含量植物体内的抗氧化酶活性反映了植物在逆境条件下的功能健康也影响着湿地的脱氮性能.如图 所示 短期暴露下黄菖蒲体内超氧化物歧化酶()活性高于长期暴露说明微塑()活性()活性()活性()含量图 黄菖蒲各阶段、活性和 含量第 期黄娟等:微塑料暴露下有/无植物人工湿地脱氮性能的对比:/.料急性胁迫诱导过量活性氧自由基()产生细胞发生氧化应激.同时长期暴露下黄菖蒲体内过氧化物酶()和过氧化氢酶()的活性分别增加了.和.说明 和 的活性被激发表现出协同清除自由基的能力.丙二醛()是膜质过氧化的最终产物其含量可以反映植物对逆境条件的响应强弱 长期暴露下黄菖蒲体内 的质量分数下降了.表明植物细胞逐渐适应逆境条件但由于细胞膜质过氧化程度严重膜结构发生不可逆的损伤其生理系统功能仍难以恢复.结果表明 长期暴露损伤了植物的抗氧化系统从而不利于湿地的脱氮性能.微生物群落结构的差异采用高通量测序比较了 短期和长期暴露下 组湿地基质微生物群落结构的差异.如表 所示所有微生物样品的 指数均大于.表明测序深度足够测序结果合理.和 均随着 暴露时间的延长出现了不同程度的下降但 始终高于 表明黄菖蒲湿地可以有效抵抗 胁迫保持更高的微生物丰度.同时 中 指数和均匀度指数()也始终高于 指数始终低于 表明黄菖蒲对微生物多样性和均匀度具有积极贡献.如图 所示 组样品中扩增序列变体()总数为 个 和 在 个阶段的共享 分别为 和 个仅占总数的.和.说明 短期和长期暴露下 组湿地微生物群落结构具有明显差异.表 人工湿地各阶段微生物 多样性阶段暴露样品 短期暴露.长期暴露.图 两组湿地各阶段微生物群落 总数的韦恩图在门水平上分析了 短期和长期暴露下 组湿地微生物组成的差异如图 所示.暴露下湿地微生物中的优势门为变形菌门()、放线菌门()、髌骨细菌门()和拟杆菌门()占总丰度的.短期暴露下放线菌门在 中的相对丰度(.)高于(.)而长 期 暴 露 后 其 在 中 的 相 对 丰 度(.)则低于(.).放线菌门可以参与有机物的分解和反硝化过程 并被证明具有分解纤维素的能力植物叶片的枯萎凋亡为放线菌门提供了底物使得长期暴露时 中放线菌门相对丰度更高.变形菌门是 中的最优势门 短期和长期暴露时 中的相对丰度分别为.和.始终高于 中的.和.变形菌门中包含了参与氨氧化、硝化和除磷过程的细菌其在 中的高丰度证明了植物对 暴露下人工湿地脱氮性能的积极贡献.髌骨细菌门是缺乏呼吸链的厌氧菌并可以广泛参加反硝化过程 长期暴露时其在 中的相对丰度(.)远高于(.).拟杆菌门属于化能异养菌可以图 两组湿地各阶段门水平上微生物的相对丰度组成东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.降解复杂有机物是反硝化过程的重要参与者其在 中的相对丰度始终高于 这与 中 的高去除率一致.脱氮功能菌属的差异在属水平上分析了 短期和长期暴露下 组湿地氮转化功能菌的相对丰度如图 所示.短期和长期暴露下与 相比 中硝化菌属的整体相对丰度分别提高了.和.亚 硝 化 单 胞 菌 属()和硝化螺旋菌属()分别是主要的氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌.短期暴露时亚硝化单胞菌属在 和 中的相对丰度分别为.和.而长期暴露时在 中相对丰度为.在 中未检出.可见短期暴露下黄菖蒲湿地氨氧化细菌丰度更高有利于 的去除而长期暴露下 组湿地氨氧化细菌丰度均明显降低.短期暴露时硝化螺旋菌属在 和 中的相对丰度分别为.和.而长期暴露时相对丰度分别为.和.可见 长期暴露时黄菖蒲种植明显提高了亚硝酸盐氧化菌的丰度.图 两组湿地各阶段脱氮功能菌属相对丰度 对于反硝化而言 短期和长期暴露下 中反硝化菌属的整体相对丰度较 分别提高了.和.但在分布上有所差异.动胶菌属()是 组湿地中占比最高的反硝化菌属与 相比其在 中各阶段的相对丰度分别下降了.和.类似地脱氯单胞菌属()和固氮螺菌属()相对丰度在 中分别降低了.和.而中村菌属()、嗜酸菌属()、固氮弧菌属()、慢生根瘤菌属()和沙壤土杆菌属()的相对丰度在 中分别增加了.、.、.、.和.结果表明黄菖蒲对 暴露下湿地中反硝化细菌的影响较为复杂植物一方面通过根系分泌物为微生物提供可利用的碳源刺激异养反硝化菌的生长另一方面植物的根系泌氧作用使得湿地环境中溶解氧浓度升高抑制了部分反硝化菌的生长.结论)黄菖蒲湿地和无植物湿地均可有效去除 出水浓度均随暴露时间的延长而增加.)短期暴露时黄菖蒲湿地的 和 去除率较无植物湿地显著提高了.和.但在长期暴露时无显著差异同时黄菖蒲湿地中 和 出水浓度高于无植物湿地.)的长期暴露对黄菖蒲的光系统和抗氧化系统造成损伤光合色素含量(叶绿素、叶绿素 和类胡萝卜素)和 活性明显下降.第 期黄娟等:微塑料暴露下有/无植物人工湿地脱氮性能的对比:/.)短期和长期暴露时黄菖蒲湿地的微生物物种丰度、多样性和均匀度更高 组湿地微生物群落结构存在明显差异.)黄菖蒲湿地中硝化细菌和反硝化细菌的总体丰度更高且在菌属分布上有所差异.参考文献().():.:./.:.:./.:.:./.:.:./.:.:.:./.:.:.:./.:.:./.:.:./.:.:./.:.:.:./.()().:.:./.().:.:./.:.:./.国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法.版.北京:中国环境科学出版社:.:.:./.:/.:.:.:./.:.:./.().:.:./.:.东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.:.:./.:.:./.王伟 余泓漾 黄腾波 等.拟南芥 基因调控花器官中叶绿素 与 比例.深圳大学学报(理工版)():.:././.()():.:./.().():.:./().:.:./.:.:./.:.:./.吴晓斐 何源 黄治平 等.不同处理梯度污水对细菌群落和酶活性的影响.农业环境科学学报 ():.:./.():.:./.().():.:./.:.:./.():.:././.:.:./.冯晓娟冼萍唐海芳等.固定化微生物脱氮途径及微生物学机理研究.环境工程():.?.():.:.:./.第 期黄娟等:微塑料暴露下有/无植物人工湿地脱氮性能的对比