2018-12-15
文案 | 微生物組事業部
正文
近期，派森諾生物與上海交通大學合作，在《Journal of Cleaner Production》（影響因子5.651）發表研究論文，本研究將香蒲凋落物添加至表層流人工濕地（SFCW）系統中，作為反硝化過程的附加碳源。通過凋落物添加方式的探索、系統除氮效率的評價和菌群結構的分析，以期為水生植物凋落物的循環利用提供合適的方法，并提高SFCW系統的反硝化效果。
研究背景
水體氮污染是一個十分嚴峻的問題，氮污染的治理和方法的優化越來越受到研究者的關注。人工濕地（CWs）作為一個復雜的生態系統，能夠通過物理、化學和生物過程有效去除水體的氮、磷和有機物。為了獲得有效且經濟的碳源來提高CWs系統的碳去除效率，很多研究者開始利用植物凋落物作為人工濕地尤其是地下流人工濕地的附加碳源，但少有研究探索植物凋落物對表層流人工濕地（SFCW）的影響。
該研究團隊前期以三種不同的水生植物凋落物作為額外氮源對人工濕地的脫氮效率進行評價，并確定香蒲凋落物可能是濕地系統反硝化過程中潛在的植物碳源。本研究將對該水生植物的添加方式和作用進行更深刻的探究。
研究目的
? 探索一種SFCW系統香蒲凋落物合適的添加方式；
? 結合微生物群落結構的變化探究系統反硝化效果優化的本質；
? 證明香蒲凋落物作為SFCW系統額外氮源的可行性。?
研究方法
測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組細菌16S rRNA基因V4V5區
實驗對象：表層流人工濕地（SFCW）系統?
實驗設計
本研究建立了兩個相同結構和型號的上流式SFCW系統，其中一個系統為空白對照（Blank），一個系統種植有6棵香蒲（6 plants），其模式如圖1所示。
在添加凋落物之前，本研究探究了不同添加方式對SFCW系統水體環境的影響，確定添加方式。確定添加方式后，比較系統在凋落物添加和不添加兩種情況下的脫氮效率，以評估香蒲凋落物對系統脫氮的影響。并采集添加和不添加凋落物系統中的污泥，通過高通量測序評價菌群結構的變化。
實驗分組 | 處理方式 |
Blank | 空白對照 |
6 plants | 添加香蒲凋落物 |
圖1：SFCW系統示意圖
研究結果
凋落物添加劑量和放式的確定
SFCW系統將凋落物作為外部碳源使用時，凋落物的添加量和添加方式將直接影響凋落物的利用效率，進而影響添加凋落物對系統除氮的強化效果。
前期研究表明，凋落物分解過程中釋放到水體中的TOC濃度隨著凋落物用量的增加而增加。通常反硝化的理論C/N比為4：1—5：1，轉換后TON/N比值約為2：1。因此在本研究中當系統進水流TN濃度為13mgL-1時，TOC濃度需至少達到26mgL-1才能通過反硝化系統將氮去除。在此基礎上，結合凋落物分解釋放的TOC濃度，當凋落物的劑量為1.0gL-1時釋放到水中的TOC最高濃度為26.8mgL-1，這已達到了去除進水流氮所需TOC的濃度。因此，本研究將凋落物添加量定為1.0gL-1。
值得注意的是，當凋落物用量為0.1gL-1時，單位凋落物釋放的TOC達到148mgL-1，盡管釋放的TOC濃度為14.8mgL-1。基于以上分析，為獲得單位凋落物更高濃度的TOC釋放量，提高凋落物的利用效率，應分批次向系統添加香蒲凋落物。
為進一步確定凋落物的添加方式，本研究評價了兩種不同的添加方式對SFCW系統pH、DO以及脫氮效率的影響。
圖2顯示了不同添加方式下水體pH值的變化情況。結果表明，在SFCW系統中分批添加香蒲凋落物后，前期水體pH值略有下降（約0.4），主要是凋落物分解過程中釋放的有機酸所致。
隨著凋落物的不斷加入，pH值并沒有明顯降低。首先，凋落物釋放的有機酸可能會被水中的微生物降解。其次，所釋放的有機物可能被反硝化細菌用于系統的反硝化，從而釋放一定的堿，抑制pH的下降。但是，當一次性向系統中添加凋落物時，pH值在初期下降到較低的值（下降約1.1），這主要是由于系統中添加了更多的香蒲凋落物，導致釋放到水中的有機酸濃度較高。隨后，凋落物的分解速率放慢，有機酸在水中的釋放降低，所以后期pH值趨于穩定。
值得注意的是，分批添加凋落物pH值的降幅（約1.2）明顯小于一次性添加凋落物pH值的降幅（約2.0）。相比之下，分批添加凋落物對水體pH的影響較小，更有利于系統的反硝化過程。
圖2：凋落物添加方式對水體pH值的影響
圖3顯示了凋落物的不同添加方式對水中DO的影響。結果表明當香蒲凋落物分批添加至系統，水體DO值逐漸下降，這是凋落物分解耗氧所致。
然而，當凋落物一次性添加至系統時，DO值在早期突然大幅下降（約2.1mgL-1），可能是由于分解需消耗大量DO。隨后DO值又下降平緩，是由于凋落物分解進程變緩所致。相比之下，兩種添加方式下最終的DO值并沒有顯著差異，但需要注意的是一次性添加凋落物會導致系統DO值突然下降，不利于微生物的生長繁殖，甚至可能影響體系統的反硝化效果。
基于以上分析，為減小凋落物添加量對系統水環境的影響，從而減少對系統反硝化的影響，提高凋落物的利用效率，應分批添加香蒲凋落物。
圖3：凋落物添加方式對水體DO值的影響
總有機碳的變化和氮的去除
本研究測定了添加香蒲凋落物后系統進水和出水流的TOC值，以評價SFCW系統中脫氮菌能否有效利用凋落物分解過程中釋放出的有機物進行脫氮，結果如圖4所示。當系統添加香蒲凋落物以后，出水流的TOC值高于進水流，這主要是凋落物分解釋放TOC所致。但是TOC在出水流中的增加是有限的，當HRT（水力停留時間）為1d、水深為40 cm時，TOC在空白對照組和植物組出水流中的增量分別為3.32和2.97mgL-1。值得注意的是，凋落物分解釋放的TOC會達到14.8mgL-1，表明凋落物分解所釋放出的有機物大部分為可降解有機物，能被微生物輕易分解，其中部分有機物可能被反硝化細菌用來反硝化，而只有很小一部分無法被微生物分解，最終隨水排出，導致出水流TOC的輕微增加。
圖4：香蒲凋落物處理下系統進水流和出水流的TOC含量
為了進一步確認凋落物分解所釋放出的有機物是否被系統中脫氮菌所利用，本研究對凋落物添加后TN去除率和負荷的變化進行了評價，結果如圖5所示。從圖中可以觀察到，添加香蒲凋落物后，系統的TN去除率和負荷均有顯著提高。例如當香蒲種植密度為6棵、HRT為1天時，系統在不添加凋落物的情況下，TN去除速率和荷載量分別為20.5% 和1.12 gm-2 d-1；而添加凋落物后，TN去除速率和荷載量分別升至43.2% 和 2.36 gm-2 d-1。該結果表明添加香蒲凋落物改善了系統的反硝化效果，這可能是由于系統中反硝化細菌利用可降解有機物進行了反硝化作用引起的。前期研究表明，香蒲凋落物的主要成分為纖維素、半纖維素和木質素。木質纖維素被水解成還原糖，而凋落物中的少量蛋白質被水解成可溶性蛋白質。因此，還原糖和可溶性蛋白質是香蒲分解的初始產物。在分解的中后期，通過厭氧發酵，兩者將被轉化為揮發性脂肪酸(VFA)。最后VFA成為系統反硝化過程的可利用碳源。綜上所述，香蒲凋落物可以作為SFCW系統反硝化過程中的補充碳源。
圖5：香蒲凋落物處理下系統TN的去除能力
菌群結構分析
微生物作為濕地系統反硝化過程的重要參與者，在整個系統的反硝化過程中起著至關重要的作用。因此，本研究在系統中添加香蒲凋落物后，對凋落物附近的沉積物進行了微生物群落分析，結果如圖6所示。
從圖中可以發現植物組在添加凋落物之前，其主要微生物（屬水平，豐度>1%）包括Candidatus Methylomirabilis（1.68%）、Gallionella （1.53%）、 Rhodoplanes（1.35%）、 Dok59（1.14%）、Dechloromonas（1.03%）等。添加凋落物以后，植物組的主要微生物為Dechloromonas（6.67%）和Rhodoplanes（2.06%）等。其中Dechloromonas 屬于典型的反硝化細菌。
通過比較可以發現Dechloromonas 的豐度在添加凋落物以后顯著增加，其原因可能是凋落物在分解過程中所釋放出的一些有機物可以被反硝化細菌利用，并且DO水平也隨著分解過程的消耗而降低，這些因素均可以促進反硝化細菌的生長和繁殖，進而改進系統的反硝化過程。
此外，水中溶解氧濃度的降低可能抑制硝化細菌的生長和繁殖。總而言之，凋落物的添加顯著改變了系統中微生物的組成。
圖6：系統在凋落物添加前后的微生物群落結構
（A：6棵植物；B：6棵植物+凋落物）
4. 系統年度運行效果
為了探究SFCW系統在不同季節的脫氮效率，本研究對香蒲凋落物施加后的脫氮情況進行了一年的測量評估，結果如圖7所示。
結果表明，添加香蒲凋落物后，系統除氮量在不同季節中有顯著的變化。除氮效率夏季最高，春秋兩季次之，冬季最低。例如該系統對TN、NO3--N、NH3-N的平均去除率在春季分別為29.2%、27.8%、31.5%，在夏季分別為42.2%、41.0%、45.6%，在秋季分別為37.1%、35.8%、41.8%，而在冬季分別為24.4%、23.0%、30.8%。其原因可能是季節的變化不僅影響了植物的生長和水體溫度的變化，還影響了凋落物的分解進程，進而影響凋落物有機物的釋放。這些因素將對SFCW系統的脫氮效率產生重要影響。
值得注意的是，系統添加添加香蒲凋落物后，其反硝化效果的提高隨著水溫的降低而下降，這主要是由于凋落物分解速率隨著水溫的降低而降低。隨之帶來的影響是釋放到水體中的有機物減少， 導致系統的反硝化效果下降。
因此，為了保證SFCW系統長時間穩定運行，應在秋冬季水溫較低時改變凋落物的添加方式。最直接的方式是增加凋落物的添加劑量，但這又會對水體的pH和DO產生較大影響。所以提高凋落物的添加頻率可能為更合適的方法。
圖7：系統年度運行效果
（a）水溫變化；（b）植物組系統氮的去除效率
總結
本研究通過添加香蒲凋落物作為補充碳源，改進SFCW系統反硝化脫氮過程，最終研究結果如下：
（1） 香蒲凋落物應分批添加至SFCW系統，減小凋落物分解對水體理化性質（pH，DO）的影響，同時單位質量凋落物釋放的TOC較高，從而提高凋落物的利用效率，已獲得更好的脫氮效果。因此凋落物的施加方式定為分批次添加，每次劑量為0.1NO3--N、NH3-N。
（2） 添加香蒲凋落物之后，SFCW系統出水流中的TOC沒有明顯增加，而系統對TN的去除率和負荷量顯著增加，說明系統的反硝化細菌可以利用凋落物分解過程中釋放的可生物降解有機物進行脫氮。
（3） 添加香蒲凋落物可在一定程度上提高系統的反硝化效率，夏季的增長水平較高，冬季增長水平較低。因此，為確保系統長期運行中穩定的脫氮效率，可考慮提高凋落物添加的頻率。
本研究的測序和數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章索引
Suqing Wu et al. Enhancement of nitrogen removal via addition of cattail litter in surface flow constructed wetland. Journal of Cleaner Production 204 (2018) :205-211
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652618327501
