2018-07-19
正文
最近，派森諾生物與上海交通大學合作，在《Environmental Pollution》（影響因子：4.358）發(fā)表論文，研究了水生植物凋落物在分解過程中對人工濕地系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境及微生物群落的影響。
研究背景
人工濕地（CWs）是一種綜合性的生態(tài)系統(tǒng)，能夠有效地去除由于物理、化學過程，尤其是生物效應而引起的水污染。然而，由于反硝化過程中碳源的需求，CWs系統(tǒng)在低C/N的廢水(如城市污水處理廠的廢水、非點源污染廢水)處理時不能達到預期的效果。作為CWs系統(tǒng)的重要部分，水生植物在生長過程中可以有效吸收和過濾流動廢水中的氮、磷、重金屬、有機物和其他污染物。因此，CWs系統(tǒng)中水生植物的培養(yǎng)是減少污染和修復生態(tài)的重要途徑。水生植物在水生生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)物質(zhì)和其他化學成分的自然循環(huán)中起著重要作用。因此，研究CWs系統(tǒng)中水生植物凋落物的分解過程至關(guān)重要。
研究目的
本研究的主要目的是找出選定的水生植物（水葫蘆、黑藻和香蒲）凋落物的分解規(guī)律，分解過程對水質(zhì)的影響以及植物凋落物的潛在應用。
1、分解過程中植物凋落物用量對水質(zhì)的影響；
2、有和無沉積物在分解過程之間的差異，以確定沉積物的影響；
3、對三種水生植物的分解過程進行比較，以確定選擇的凋落物分解對水的影響，并選擇合適的植物凋落物作為CWs系統(tǒng)反硝化過程的潛在碳源。
研究方法
測序技術(shù)：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組細菌16S rRNA基因V4-V5區(qū)測序
實驗設(shè)計：不同重量的植物凋落物（0.1/0.5/1.0 g/L）分別放在尼龍袋里，放入加了2L超純水的燒杯中。分別于0，2，4，6，8，10，17，24，31，46和61天，10:00 am取樣。空白水對照、0.1g/L植物凋落物、0.5g/L植物凋落物、1g/L植物凋落物、0.5g/L植物凋落物加2cm高沉積物、2cm高沉積物對照。
圖1 實驗設(shè)計
研究結(jié)果
1、PH和DO的影響
三種植物的pH值隨添加量不同而不同，其pH值的變化趨勢是相似的。對于每一種植物凋落物，當向水中添加更高劑量的植物凋落物時，都會產(chǎn)生更大的影響。分解過程對pH值（受體水pH值變化幅度）的影響順序為水葫蘆>黑藻>香蒲，特別是在開始時。添加沉積物的影響較小。結(jié)果表明，添加沉積物可以降低植物分解的影響。
在不添加沉積物的情況下，三種植物凋落物的DO變化趨勢相同。對于每一種植物凋落物，隨著植物凋落物量的增加，影響變大。當添加沉積物時，水中的DO下降得更快，可能是由于沉積物中微生物加速分解所致。總的來說，在整個分解過程中，對DO的影響（受體水DO的變化程度）遵循黑藻>水葫蘆>香蒲的順序。沉積物的增加會增加凋落物分解對水DO的影響。
圖2 分解進程對PH的影響
圖3 分解進程對DO的影響
2、有機碳的影響
在不添加污泥的情況下，三種植物凋落物的TOC變化趨勢相似。當添加沉積物進入分解過程時，水中的TOC明顯高于沒有沉積物的TOC。同時存在植物凋落物和沉積物時的TOC比單獨添加植物凋落物和沉積物時的總量還低。分解對TOC的影響，可總結(jié)為水葫蘆>黑藻>香蒲。添加沉積物可以增大植物凋落物分解對水體TOC的影響。
3、氮釋放的影響
氮濃度是生態(tài)系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，它可以影響水生生物(即水生植物、微生物、魚類等)以及天然水中的整體生態(tài)平衡。在整個分解過程中，對受體水TN的影響順序是：水葫蘆>黑藻>>香蒲。添加沉積物可以降低凋落物分解對水體TN的影響。凋落物分解過程中主要釋放的氮為水葫蘆的NH3-N和有機氮，黑藻的NH3-N和有機氮，香蒲的有機氮和NO3-N，說明有機氮是所有植物凋落物的一種釋放氮。
4、磷釋放的影響
三種植物凋落物中TP的變化趨勢相似。一開始急劇增加，之后逐漸減少，最后達到一個穩(wěn)定值。對于三種植物凋落物，添加高劑量的凋落物時影響更大。添加沉積物可以明顯降低對TP的影響。對TP的影響排序為水葫蘆>黑藻>香蒲。
圖4 分解過程對TN的影響
圖5 分解過程對TP的影響
5、微生物組分析
為了研究不同植物凋落物分解后的微生物，在添加和不添加沉積物的情況下，根據(jù)之前的研究進行微生物群落分析。用PCA來評估不同燒杯中微生物群落的相似性。PCA分析結(jié)果表明，水葫蘆分解后的微生物群落與黑藻相似，與香蒲的微生物群落差異較大。然而，對于水葫蘆和黑藻，有沉積物在分解過程中的微生物群落與沒有沉積物的微生物群落非常不同，表明沉積物是造成它們?nèi)郝渥兓脑颉Ｈ欢斕砑映练e物時，香蒲分解后的微生物群落沒有大的變化，這可能是由于香蒲在水中的組成緩慢。
表1 植物凋落物分解過程中的優(yōu)勢菌
圖6 PCA分析
總結(jié)
該研究對三種不同劑量和沉積物條件的植物凋落物分解過程進行了研究，以確定pH，DO，TOC，TN，NH3-N，NO3- -N，NO2--N和TP對水環(huán)境的影響。首先，對于大多數(shù)水指標（NO3- -N和NO2- -N除外），分解的影響遵循水葫蘆>黑藻>香蒲的順序。一般來說，植物凋落物的劑量越大，影響越大。添加污泥可以增強或減少這種影響。其次，水葫蘆和黑藻氮釋放的主要形式是NH3--N和有機氮，而香蒲主要是有機氮和NO3--N。第三，水葫蘆、黑藻和香蒲凋落物分解之后，水中平均C/N分別達到2.6、5.3和20.3，香蒲凋落物比水葫蘆和黑藻分解的慢。因此，香蒲凋落物的分解可能更有利于生態(tài)系統(tǒng)中含氮量高的廢水的處理。
文章索引：
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.
