铬在水平潜流和垂直流人工湿地中的形态转化和迁移.pdf

农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023，42（8）:1803-18152023年8月伍振华，李良香，李素丽，等.铬在水平潜流和垂直流人工湿地中的形态转化和迁移J.农业环境科学学报,2023,42（8）：1803-1815.WU Z H,LI L X,LI S L,et al.Morphological transformation and migration of chromium in horizontal subsurface flow and vertical flow constructed wetlandsJ.Journal of Agro-Environment Science,2023,42（8）：1803-1815.铬在水平潜流和垂直流人工湿地中的形态转化和迁移伍振华，李良香，李素丽，程夕冉，王学礼，李正文，李志刚*（广西大学农学院，南宁 530004）Morphological transformation and migration of chromium in horizontal subsurface flow and vertical flowconstructed wetlandsWU Zhenhua,LI Liangxiang,LI Suli,CHENG Xiran,WANG Xueli,LI Zhengwen,LI Zhigang*（College of Agriculture,Guangxi University,Nanning 530004，China）Abstract：In this study,a small vertical flow-constructed wetland（VC）and a horizontal subsurface flow-constructed wetland（HC）wereconstructed with Coix lacryma-jobi L.as a wetland plant.The effects of different water management techniques on the migration and收稿日期：2022-12-06录用日期：2023-03-09作者简介：伍振华（1999），男，湖南娄底人，硕士研究生，主要从事作物环境生态研究。E-mail：*通信作者：李志刚E-mail：基金项目：国家自然科学基金项目（21167002，41867023）；广西自然科学基金项目（2018GXNSFAA281214）Project supported：The National Natural Science Foundation of China（21167002，41867023）；The Natural Science Foundation of Guangxi Province，China（2018GXNSFAA281214）摘要：本研究以薏苡为湿地植物，构建了小型垂直流人工湿地（VC）和水平潜流人工湿地（HC），研究了不同水分管理对处理Cr6+废水时铬的迁移转化的影响。结果表明：Cr6+处理下，两种湿地的薏苡生长均受到了抑制，水平潜流人工湿地薏苡生长受抑制程度低于垂直流人工湿地。水平潜流人工湿地铬含量较高，而垂直流人工湿地易吸收的可交换态和碳酸盐提取态铬含量较高。基质的pH和Eh均随Cr6+浓度的增加而呈现减小趋势。垂直流人工湿地pH及Eh值均大于水平潜流人工湿地。与潜流人工湿地相关的酶活性相比，垂直流人工湿地可以增加基质中蔗糖酶活性，但Cr6+处理下脲酶活性却低于水平潜流人工湿地。高通量分析表明，不同处理下的两种人工湿地基质微生物群落存在显著差异，水平潜流人工湿地微生物更有利于将铬转化为难以利用的铬形态。水平潜流人工湿地对废水中的Cr6+有更好的去除能力。研究表明，水平潜流人工湿地有利于促进Cr6+转化为难以利用的铬形态，提高了人工湿地对污水中Cr6+的去除能力。关键词：人工湿地；薏苡；铬；铬形态；土壤酶；可溶性有机物中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1672-2043（2023）08-1803-13doi:10.11654/jaes.2022-12480 mgL-1Cr6+10 mgL-1Cr6+20 mgL-1Cr6+农业环境科学学报第42卷第8期铬（Cr）是重要的工业原料之一，广泛应用于皮革、采矿、冶金等行业，由于工业排放过程中的监管不到位、处理不过关等原因，导致了土壤、空气和水中的铬污染1。国际癌症研究机构将铬列为头号致癌物2，Cr（）和其他职业呼吸道致癌物已导致全球10万人的死亡1。目前，中国受铬严重污染的土壤已超1 250万t3。在环境中，相比Cr3+，Cr6+具有强迁移转化能力，能残留在植物体内对植物产生毒害，并通过食物链危害人类健康3。随着经济发展，涉铬企业逐渐迁移至经济落后地区。通过对广西某地受污染地区粮食进行检测，发现玉米、水稻等作物中铬含量超过国家标准4。铬污染事件频繁发生，如云南省曲靖市的非法排放、河南省的羊皮染色过程和梧州市的电镀作坊非法排放事件5-6。由于具有操作方便、美化环境、建设成本低、运行费用少等特点，人工湿地在经济落后地区和农村有广泛的应用前景7-8，而经济落后地区也是含铬废水不达标排放的重灾区，且不发达地区或国家（如印度、巴西、南非等）常发生工业废水与生活污水混合排放的现象9-10。因此，一旦污染企业因事故或故意偷排的废水进入市政污水系统，是否会影响人工湿地植物的生长，人工湿地能否安全高效清除混入市政废水中的Cr6+，是管理者必须考虑的问题。近年来，人工湿地已广泛用于重金属废水的处理，其可有效去除工业废水和生活污水中的铬11-13。李志刚等4的研究表明，废水中添加生活污水可以提高人工湿地对含铬废水的去除能力；李恺等14的研究表明，生活污水浓度越高，铬去除能力越强；李志刚等15的研究表明，薏苡人工湿地能够高效处理生活污水中的Cr6+，薏苡在进水中Cr6+浓度为10 mgL-1的情况下仍能正常生长，薏苡是耐水也耐旱的植物，生物量大，在人工湿地处理污水中有少量有关应用与研究的报道。人工湿地主要通过植物根系、基质、微生物的协同作用，调控植物修复过程中的土壤理化性状并影响重金属的化学形态及迁移行为16。土壤pH、氧化还原电位（Eh）、酶和微生物代谢与重金属化学形态密切相关17-19，植物和微生物的分泌物以及残体所形成的有机质中的溶解性有机质（DOM）易与重金属发生络合反应，改变重金属价态或吸附重金属离子20-21。然而，根系分泌物、微生物群落易受根际环境影响，从而影响到植物生长和重金属去除22-25。根据水流方向，可将人工湿地分为垂直流人工湿地（VC）和水平潜流人工湿地（HC）。在VC中，可以利用氧化条件下的铁锰沉淀物沉淀重金属；在HC中，可以利用厌氧条件下的硫化物控制重金属的迁移率26-27。因此，人工湿地的水分管理会影响土壤pH、Eh、有机质和土壤酶活性，进而影响重金属形态、分布和生物可利用性6，28。尽管已有许多关于利用VC和HC处理含铬废水的研究，但在两种不同水分管理方式下基质土壤理化性质、酶活性、有机质和微生物的差异对基质中铬化学形态转化及迁移的研究尚不多见。本研究通过构建小型垂直流和水平潜流人工湿地，在前人研究的基础上，选用耐淹耐旱的薏苡作为湿地植物，研究Cr6+胁迫下不同水分管理条件对湿地铬的转化和迁移的影响，阐明Cr6+胁迫下不同水分管理条件人工湿地中湿地植物的生长和铬积累状况，基质DOM特征和微生物群落多样性，及其与铬去除之间的关系。研究结果可以为含铬废水的高效处理提transformation of chromium in Cr6+wastewater were investigated.The results revealed that：Under Cr6+treatment,the growth of Coixlacryma-jobi L.in the two wetlands was inhibited,and the growth of Coix lacryma-jobi L.in horizontal subsurface flow-constructedwetland was less inhibited than that in vertical flow-constructed wetland.The content of chromium in the horizontal subsurface flow-constructed wetland was higher,whereas the content of exchangeable and carbonate-extractable chromium in the vertical flow-constructedwetland was higher.The pH value and Eh of the substrate decreased as Cr6+concentration increased.The pH and Eh values of vertical flow-constructed wetlands were higher than those of horizontal subsurface flow-constructed wetlands.Compared with the enzyme activitiesrelated to the subsurface flow-constructed wetland,vertical flow-constructed wetland could increase the sucrase activity in the substrate;however,the urease activity under Cr6+treatment was lower than that in the horizontal subsurface flow-constructed wetland.High-throughput analysis demonstrated significant differences in microbial communities between the two constructed wetlands under differenttreatments.Horizontal subsurface flow-constructed wetland microorganisms were more conducive to converting chromium into difficult-to-use chromium forms.Horizontal subsurface flow-constructed wetland is more effective at removing Cr6+from wastewater.The resultsdemonstrated that the horizontal subsurface flow-constructed wetland was beneficial in promoting Cr6+transformation into chromium form,which was challenging to use,and improved the removal ability of Cr6+in wastewater.Keywords：constructed wetlands;Coix lacryma-jobi L.;chromium;chromium chemical speciation;soil enzymes;dissolved organic matter1804伍振华，等：铬在水平潜流和垂直流人工湿地中的形态转化和迁移2023年8月供科学参考。1材料与方法1.1 人工湿地配置本研究在广西大学教学科研基地网室内进行。分别构建微型垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地（图1）。湿地由0.5 cm厚度的不透光PVC板构建而成，每个湿地单元高度为60 cm、长度为120 cm、宽度为50 cm，底部填充10 cm粒径为0.30.6 cm的沙子，上层填充40 cm粒径为0.10.6 cm的沙子，距底部10cm处有出水口，用于采集水样。每个人工湿地内种植 14 株长势均匀的薏苡苗，Cr6+处理前以生活废水（COD含量100130 mgL-1、pH 6.8）灌溉，当薏苡长到约60 cm时进行含Cr6+废水实验，含Cr6+废水使用1/2Hoaglands营养液配制，并添加80 mgL-1的葡萄糖以模拟生活污水，在其中添加K2Cr2O7以获得含Cr6+0、10、20mgL-1的模拟含Cr6+废水，各处理名称及缩写见表1。在垂直流人工湿地上表面和底部分别采用长110 cm、直径4 cm的水管作为布水管和集水管，采取进水后保持3 d，然后控干4 d的间歇进水方式。水平潜流人工湿地两侧用多孔挡板隔离，采取连续进水的方式，保证表土始终覆水。两种湿地单位时间内进水量一致，以一个湿地单元为一个重复，各处理均重复3次。1.2 样品采集和指标测定1.2.1 样品采集分别于Cr6+处理后30、60、90 d，从每个人工湿地装置中收集植物、基质和水样，用于实验室定量分析。将植物根、茎、叶擦拭干净，一部分叶片鲜样用于逆境生理指标测定，另一部分植物按地上部和地下部分开，放入烘箱105 杀青30 min，70 烘至恒质量后粉碎，最后过60目筛后保存待测。基质取样采用五点取样法以确保取样均匀，在每个人工湿地的020cm 深度去除表层青苔后进行基质取样，取回的基质挑去植物残根，一部分于45 进行烘干，直到质量恒定，然后过直径为 1 mm的筛备用，另一部分放置于-80 冰箱，用于土壤酶和微生物分析。1.2.2 农艺性状的测定分别在Cr6+处理后的第30、60、90天测量植物株高，在第90天，收获剩余植物，将其分为地上部（AG）和地下部（UG），记录其地上鲜样质量（AGW）和地下鲜样质量（UGW），烘干后记录其地上干样质量（ADW）和地下干样质量（UDW）。1.2.3 植物和湿地基质总铬和铬形态的测定参照王爱云等3的实验方法，称取0.300 0 g植株样品于消煮管中，加入HNO36 mL、HClO41.5 mL混合浸泡过夜，于石墨消煮炉中160 消解3 h，赶酸至仅剩 12 mL无色透明液体，冷却后以 0.2%HNO3定容至50 mL，并过0.45 m水系滤膜，用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-5000，北京聚光科技有限公司，中国）测定铬含量。基质总铬的测定参考肖文丹29的方法并进行改进，称取0.300 0 g过100目筛的基质样品至50 mL聚四氟乙烯消煮管中，加入2 mL HCl浸泡1 h左右再分别加入3 mL HNO3和HF，于石墨消煮炉130 消煮3h，降温后加入1 mL HClO4，继续消煮1 h，然后降温至120，开盖赶酸，赶酸终点为管底只剩一滴无色黏稠状固体，若固体为黄色则加蒸馏水继续赶酸。冷却后以蒸馏水定容至50 mL，过0.45 m水系滤膜后用电感耦合等离子体发射光谱仪测定铬含量。植物根系中铬化学形态参考杨居荣等30的方法，缩写AbbreviationVC0HC0VC10HC10VC20HC20名称Name垂直流人工湿地0 mgL-1Cr6+处理水平潜流人工湿地0 mgL-1Cr6+处理垂直流人工湿地10 mgL-1Cr6+处理水平潜流人工湿地10 mgL-1Cr6+处理垂直流人工湿地20 mgL-1Cr6+处理水平潜流人工湿地20 mgL-1Cr6+处理表1 各处理名称及缩写Table 1 Names and abbreviations of each treatment图1 水分管理方式Figure 1 Water managements1805农业环境科学学报第42卷第8期称取2.500 0 g鲜样用于测定根系的80%乙醇提取态（FEth）、去离子水提取态（FH2O）、氯化钠提取态（FNaCl）、醋酸提取态（FHAc）、盐酸提取态（FHCl）、残渣态（FRes）铬含量。基质中铬化学形态的测定参考Tessier等31的方法，称取过100目筛的基质1.500 0g 用于测定基质的可交换态（F1）、碳酸盐结合态（F2）、铁锰氧化物结合态（F3）、有机质结合态（F4）、残渣态（F5）铬含量。1.2.4 基质理化性状和酶活性的测定在Cr6+处理后的第30、60、90天，使用土壤化肥快速检测仪（ZYD-TF）测定基质pH和Eh。基质脲酶和蔗糖酶活性采用苏州科铭试剂盒测定。1.2.5 湿地出水DOM表征分析和Cr6+浓度测定在实验结束时采集湿地出水水样。一部分冷冻干燥后用于DOM傅里叶测试，参考梁俭32的分析方法，采用傅里叶红外光谱仪（Frontier）分析出水DOM表征；另一部分过0.45 m的滤膜后加入几滴HNO3保存，采用二苯碳酰二肼分光光度法测定出水Cr6+浓度。1.2.6 微生物分析微生物多样性分析基于 Illumina HiSeq 测序平台，利用双末端测序（Paired-End）构建小片段文库进行测序。细菌主要是基于16S区。1.3 统计分析所有数据均使用Microsoft Excel 2019、Origin 2022进行分析和绘图，并用 Duncan 检验法对显著性差异进行多重比较。2结果与分析2.1 不同处理对薏苡株高的影响由图2可知，随着Cr6+浓度的增加，薏苡株高呈现下降趋势。在0、10 mgL-1Cr6+处理下，植株的高度在68.21158.24 cm之间，而20 mgL-1Cr6+处理的植株高度在 59.36119.36 cm之间，植株株高显著降低。垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地的株高分别为59.36147.31 cm 和 61.27158.24 cm。在 060 d，垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地的株高差异不显著，但第90 d时，0、10 mgL-1Cr6+处理下水平潜流人工湿地的薏苡株高显著高于垂直流人工湿地。2.2 不同处理对薏苡生物量的影响随着Cr6+浓度的提高，植物的鲜样质量和干样质量显著降低。图3表明，与0 mgL-1Cr6+处理（对照处理）相比，10 mgL-1Cr6+处理的AGW和ADW分别降低 了 18.59%28.15%和 22.46%32.38%，UGW 和UDW 分 别 降 低 了 41.96%43.50%和 18.31%29.22%。20 mgL-1的 Cr6+处理与 10 mgL-1的Cr6+处理相比，植物AGW和ADW分别降低了4.88%21.08%图2 不同处理对薏苡株高的影响Figure 2 Effects of different treatments on the height of Coixlachryma jobi L.不同小写字母表示同一处理时间内各处理间差异显著（P0.05）。下同。Different lowercase letters represent significant level（P茎叶。根、茎、叶中铬含量随着Cr6+处理浓度的提高和时间的延长而增加。在垂直流湿地中，薏苡根、茎、叶总铬含量分别为 7.21199.66、3.2974.98，2.1459.37 mgkg-1；而在水平潜流条件下薏苡根、茎、叶总铬含量分别为 7.0393.00、2.6259.31、2.0142.77 mgkg-1。在同浓度的Cr6+处理下，垂直流处理下的根、茎、叶总铬含量显著大于水平潜流处理。薏苡根系各形态铬含量均随Cr6+处理时间的延长和浓度的提高而提高。根系 FEth、FH2O、FNaCl、FHAc、FHCl 和 FRes 形态铬含量分别为 0.2633.30、0.0826.02、0.125.86、0.1111.91、0.2813.30、7.06106.67 mgkg-1，垂直流人工湿地薏苡根各形态铬含图4 不同处理下薏苡植株根、茎和叶中的铬含量Figure 4 Chromium content in roots，stems and leaves of Coixlacryma-jobi L.under different treatments对照处理因检出量较低，没有明显的规律，下同。Due to the low detection amount，there was no obvious rule in the controltreatment.The same below.图5 不同处理下薏苡植株根铬形态Figure 5 Chromium chemical speciation of Coix lacryma-jobi L.root under different treatments根总铬含量Total chromium in root/（mgkg-1）茎总铬含量Total chromium in stems/（mgkg-1）叶总铬含量Total chromium in leaves/（mgkg-1）1807农业环境科学学报第42卷第8期量均大于水平潜流处理。由图 5 可知，根系 FEth、FH2O、FNaCl、FHAc、FHCl、FRes形态铬含量占比分别为 2.57%37.46%、0.79%19.08%、0.91%8.60%、0.60%10.95%、2.54%9.95%、38.75%87.35%，根系铬形态中 FEth 和 FRes 占比最多，共占根系总铬的62.87%92.47%，垂直流人工湿地薏苡根中 FH2O 和FNaCl 形态铬含量占比大于水平潜流处理，而根FHAc形态铬含量占比低于水平潜流处理。2.4 不同水分管理对人工湿地基质总铬和铬形态的影响由图 6 可知，人工湿地基质铬含量为 21.06177.23 mgkg-1，随 Cr6+处理浓度的提高和时间的延长，基质中铬含量呈显著增加的趋势，水平潜流湿地基质铬含量为 21.12177.23 mgkg-1，垂直流湿地基质铬含量为 21.06148.31 mgkg-1，水平潜流湿地基质铬含量显著大于垂直流人工湿地。基质中各形态铬含量均随Cr6+处理时间的延长和浓度的增加而呈增加趋势，基质F1、F2、F3、F4、F5形态铬含量分别为0.037.50、0.103.28、2.0239.63、0.258.84、16.33124.62 mgkg-1，垂直流人工湿地基质各形态铬含量均低于水平潜流处理。由图7可知，基质F1、F2、F3、F4、F5形态的铬占比分别为0.12%4.56%、0.43%2.08%、8.52%21.61%、1.31%6.30%、67.94%86.49%，基质铬形态中F3和F5占比最多，共占基质总铬的89.54%97.48%，潜流人工湿地基质有效态铬（F1和F2，以下简称基质有效态铬）占比均小于垂直流人工湿地，难溶态铬（F3、F4和F5，以下简称基质难溶态铬）占比均大于垂直流人工湿地。2.5 不同处理对人工湿地基质理化性状的影响由表2可知，基质的pH和Eh均随Cr6+浓度的增加而呈现减小趋势。基质 Eh为-10.584.01 mV，垂直流湿地基质 Eh为 22.5084.01 mV，水平潜流湿地基质Eh为-10.5053.75 mV，随着Cr6+浓度的增加，垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地的Eh降低率分别为 5.64%34.47%、27.98%116.98%，水平潜流人工湿地的 Eh降低率显著高于垂直流人工湿地。随着Cr6+处理时间的延长，垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地Eh均呈增加趋势。所有处理基质pH值均呈弱酸性，且均随着Cr6+处理时间的增加而呈现减小趋势，pH为 6.076.62，同浓度 Cr6+处理下，垂直流湿地图6 不同处理下人工湿地基质总铬变化Figure 6 Change of total chromium in constructed wetlandsubstrate under different treatments图7 不同处理下人工湿地基质铬形态Figure 7 Chromium chemical speciation of constructed wetlandsubstrate under different treatments总铬含量Total chromium content/（mgkg-1）处理Treatment处理Treatment处理Treatment1808伍振华，等：铬在水平潜流和垂直流人工湿地中的形态转化和迁移2023年8月的各处理基质pH均大于水平潜流湿地。垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地pH降低率分别为1.20%5.51%和1.84%5.27%。2.6 不同处理对人工湿地基质酶活性的影响由图8可知，土壤脲酶活性均随Cr6+处理浓度的提高而下降，而蔗糖酶的活性却呈上升趋势。土壤脲酶和蔗糖酶活性分别为 16.6774.47、3.0135.10 Ug-1。对照处理下垂直流人工湿地酶活性均大于水平潜流人工湿地。10 mgL-1Cr6+处理 3060 d，两种人工湿地土壤脲酶和蔗糖酶活性均呈上升趋势，垂直流人工湿地土壤脲酶和蔗糖酶活性分别提高了116.90%和63.74%，水平潜流人工湿地土壤脲酶和蔗糖酶活性分别提高了43.48%和59.49%；6090 d，垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地土壤脲酶活性分别下降了35.90%和20.43%，而 蔗 糖 酶 活 性 分 别 上 升 了 58.00%和67.20%。20 mgL-1Cr6+处理 3060 d，垂直流人工湿地土壤 脲 酶 和 蔗 糖 酶 活 性 分 别 提 高 了 108.09%和120.40%，水平潜流人工湿地土壤脲酶活性下降了15.94%，而蔗糖酶活性提高了88.84%；6090 d，垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地土壤脲酶活性分别下降了36.79%和23.87%，而蔗糖酶活性则分别提高了35.19%和67.22%。Cr6+处理提高了两种人工湿地蔗糖酶活性，且垂直流人工湿地蔗糖酶活性显著高于水平潜流人工湿地。随着Cr6+处理浓度的提高，垂直流人工湿地脲酶活性呈下降趋势，水平潜流人工湿地10 mgL-1Cr6+处理提高了脲酶活性，20 mgL-1Cr6+处理降低了脲酶活性。2.7 不同处理下湿地出水DOM光谱特征分析通过采用FTIR分析水样DOM官能团（图9），可知傅里叶特征峰峰值在3 424.6 cm-1（OH拉伸）附近，主要来源于植物组织中果胶、半纤维素、纤维素、多糖等碳水化合物及蛋白质、氨基酸等引起的特征峰，在1 627.1 cm-1（CO拉伸）附近的峰为来源于蛋白质的特征峰，在1 389 cm-1（CH3）附近的峰为细胞土壤理化性状Soil propertiesEh/mVpH处理时间Time/d3060903060900 mgL-148.334.72a57.752.19a84.011.45a6.620.08a6.410.06a6.270.04aVC10 mgL-134.333.33b40.173.65b61.822.34b6.360.06b6.340.07b6.130.01b20 mgL-122.501.87c33.581.68c58.333.14c6.240.12cd6.200.03c6.090.01d0 mgL-133.501.87b31.421.72c53.751.78d6.580.04a6.320.02b6.160.02bHC10 mgL-112.501.87d-5.331.21d33.631.77e6.290.03bc6.240.02c6.110.03c20 mgL-13.170.75e-10.501.05e24.221.47f6.170.06d6.130.02d6.070.02e表2 不同处理下人工湿地的pH和Eh（n=6）Table 2 pH and Eh of constructed wetlands under different treatments（n=6）注：不同小写字母表示同一处理时间内各处理间差异显著（P0.05）。Note：Different lowercase letters represent significant level of each treatment within the same treatment time（P0.05）.图8 不同处理下人工湿地土壤脲酶和蔗糖酶活性Figure 8 Soil urease and sucrase activities in constructed wetlands under different treatments蔗糖酶活性Sucrase acitivity/（Ug-1）脲酶活性Urease acitivity/（Ug-1）1809农业环境科学学报第42卷第8期壁和各种膜中含油脂化合物的甲基对称弯曲的振动峰和在 1 100 cm-1（CO 拉伸）附近由碳水化合物（醇、酯、醚或酚）引起的吸收峰。几个特征峰随着Cr6+浓度的增加显著加剧，表明湿地水样含O官能团在铬胁迫后增加。含O基团对土壤重金属的稳定起重要作用，含 O官能团增加能够显著稳定水样中的Cr6+。其中垂直流人工湿地条件下10 mgL-1Cr6+处理含O官能团增加显著大于0、20 mgL-1Cr6+处理；水平潜流人工湿地条件下含O官能团随Cr6+处理浓度的增加而增加；水平潜流人工湿地各特征峰吸光度大于垂直流人工湿地。2.8 湿地微生物分析通过高通量测序对微生物组成进行分析表明，薏苡根系内圈环境中的微生物群因重金属污染而发生显著变化。如图10所示，在所有样品中，Proteobacteria（变形菌门）、Firmicutes（厚壁菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门）、Cyanobacteria（蓝藻门）、Actinobacteria（放线菌门）和Chloroflexi（绿弯菌门）的相对丰度占比分 别 为 13.45%54.21%、1.67%49.78%、5.89%18.98%、0.59%24.89%、1.93%15.81%和 0.86%9.37%。样品中的主要菌门是 Proteobacteria，相对丰度为 13.45%54.21%，水平潜流人工湿地 0 mgL-1Cr6+处理下的相对丰度（35.93%38.67%）高于垂直流人工湿地基质样品（21.92%27.65%）。第90天的垂直流人工湿地20 mgL-1Cr6+处理下Proteobacteria相对丰度占比仅为13.45%，而Firmicutes相对丰度占比提升至49.78%。从门水平下的聚类树可以看出，不同处理下的垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地基质微生物群落存在显著差异，同浓度Cr6+处理下的湿地基质微生物群落结构更相似。根际土壤的理化性质与重金属和根际细菌有关。本研究通过冗余分析评估了微生物对理化性质的影响，图11显示了土壤理化性质、微生物丰度和重金属含量之间的关系，轴1解释了20.08%的变化，轴2进一步解释了12.49%的变化。不同浓度Cr6+污染的土壤分布在轴1和轴2上，表明铬污染土壤的微生物群落和理化性质与对照不同，其中20 mgL-1Cr6+处理下的垂直流人工湿地与其他处理差异较大。芽孢杆菌属（Bacillus）、葡萄球菌属（Staphylococcus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、拟青霉属（Paenibacillus）、马赛菌属（Massilia）与pH和脲酶活性呈正相关，与基质铬积累量和蔗糖酶活性呈负相关，酸杆菌属（Acidother图10 基于Unweighted Unifrac距离的UPGMA聚类树Figure 10 UPGMA clustering tree based on Unweighted Unifrac distance图中处理名称后的A、B分别表示处理的30 d和90 d；颜色代表物种丰度；聚类表示不同物种在各样品间丰度的相似情况，两物种间距离越近，枝长越短，说明两个物种在各样品间的丰度越相似。A and B after the processing name in the figure represent 30 d and 90 d of processing respectively；Color represents species abundance；Clustering indicatesthe similarity of the abundance of different species among samples.The closer the distance between two species is，the shorter the branch length is，indicating that the more similar the abundance of two species among different varieties is.图9 不同处理下人工湿地水样FTIR红外光谱图Figure 9 FTIR spectra of constructed wetland water samplesunder different treatmentsOHCOCOCH31810伍振华，等：铬在水平潜流和垂直流人工湿地中的形态转化和迁移2023年8月mus）与基质铬积累量、蔗糖酶活性、Eh呈正相关、与pH 和脲酶活性呈负相关，埃希氏菌属（Escherichia-Shigella）与 Eh呈正相关，与脲酶活性和基质铬积累量呈负相关，微细菌属（Microbacterium）、慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）与脲酶活性、蔗糖酶活性、基质铬积累量呈正相关，与Eh呈负相关。2.9 不同处理湿地出水Cr6+的变化如图12所示，人工湿地出水Cr6+浓度为0.075 61.580 7 mgL-1，10 mgL-1Cr6+处理下，垂直流人工湿地铬去除率为 93.50%97.54%，水平潜流人工湿地铬去除率为 89.62%97.14%；20 mgL-1Cr6+处理下，垂直流人工湿地铬去除率为 92.10%98.13%，水平潜流人工湿地铬去除率为 93.26%98.39%；两种人工湿地都有较好的铬去除能力。两种人工湿地条件下，出水 Cr6+浓度随处理时间的延长而增加，在 10mgL-1Cr6+处理下，垂直流人工湿地出水Cr6+浓度显著低于水平潜流人工湿地，而在高浓度 20 mgL-1Cr6+处理下，水平潜流人工湿地出水Cr6+浓度显著低于垂直流人工湿地。3讨论铬并不是植物必需的营养元素，过量铬会抑制植物生长33。在本研究中，Cr6+处理显著抑制了薏苡的生长，这与前人的结果一致34，董馨岚等35的研究表明，土壤含水量对重金属污染土壤生长的黑麦草生物量影响较大。本研究垂直流人工湿地薏苡生长受抑制程度高于水平潜流人工湿地，这与贡晓飞等36的研究中常淹水条件下水稻幼苗受抑制程度低于不淹水处理的结果一致。水平潜流人工湿地薏苡生长受抑制程度相对较小，可能与两种水分管理方式下植物对铬的吸收量有关。水分管理方式影响植物富集重金属的效果35。前人研究表明，间歇灌溉条件下，水稻积累的重金属量大于淹水灌溉条件29，37。本研究中，采用间歇进水方式的垂直流人工湿地薏苡各部位总铬含量和根中各形态铬含量大于水平潜流人工湿地，与贡晓飞等36的研究结果类似。有效铬在植物体内的迁移与铬的化学形态密切相关，其含量越高越易移动38。本研究中，垂直流人工湿地薏苡根系中有效态铬含量高，可能是导致地上部铬的积累量较多，植物受抑制程度大于水平潜流人工湿地的重要原因。土壤重金属生物活性不仅受土壤理化性状和重金属总量影响，其化学形态也起着重要作用39-40。根据Tessier的5步提取法31，可交换态和碳酸盐结合态的重金属生物有效性较高，植物更易吸收。土壤水分管理可通过调节