2018-12-15
文案 | 微生物组事业部
正文
近期，派森诺生物与上海交通大学合作，在《Journal of Cleaner Production》（影响因子5.651）发表研究论文，本研究将香蒲凋落物添加至表层流人工湿地（SFCW）系统中，作为反硝化过程的附加碳源。通过凋落物添加方式的探索、系统除氮效率的评价和菌群结构的分析，以期为水生植物凋落物的循环利用提供合适的方法，并提高SFCW系统的反硝化效果。
研究背景
水体氮污染是一个十分严峻的问题，氮污染的治理和方法的优化越来越受到研究者的关注。人工湿地（CWs）作为一个复杂的生态系统，能够通过物理、化学和生物过程有效去除水体的氮、磷和有机物。为了获得有效且经济的碳源来提高CWs系统的碳去除效率，很多研究者开始利用植物凋落物作为人工湿地尤其是地下流人工湿地的附加碳源，但少有研究探索植物凋落物对表层流人工湿地（SFCW）的影响。
该研究团队前期以三种不同的水生植物凋落物作为额外氮源对人工湿地的脱氮效率进行评价，并确定香蒲凋落物可能是湿地系统反硝化过程中潜在的植物碳源。本研究将对该水生植物的添加方式和作用进行更深刻的探究。
研究目的
▶ 探索一种SFCW系统香蒲凋落物合适的添加方式；
▶ 结合微生物群落结构的变化探究系统反硝化效果优化的本质；
▶ 证明香蒲凋落物作为SFCW系统额外氮源的可行性。
研究方法
测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
测序模式：微生物组细菌16S rRNA基因V4V5区
实验对象：表层流人工湿地（SFCW）系统
实验设计
本研究建立了两个相同结构和型号的上流式SFCW系统，其中一个系统为空白对照（Blank），一个系统种植有6棵香蒲（6 plants），其模式如图1所示。
在添加凋落物之前，本研究探究了不同添加方式对SFCW系统水体环境的影响，确定添加方式。确定添加方式后，比较系统在凋落物添加和不添加两种情况下的脱氮效率，以评估香蒲凋落物对系统脱氮的影响。并采集添加和不添加凋落物系统中的污泥，通过高通量测序评价菌群结构的变化。
实验分组 | 处理方式 |
Blank | 空白对照 |
6 plants | 添加香蒲凋落物 |
图1：SFCW系统示意图
研究结果
凋落物添加剂量和放式的确定
SFCW系统将凋落物作为外部碳源使用时，凋落物的添加量和添加方式将直接影响凋落物的利用效率，进而影响添加凋落物对系统除氮的强化效果。
前期研究表明，凋落物分解过程中释放到水体中的TOC浓度随着凋落物用量的增加而增加。通常反硝化的理论C/N比为4：1—5：1，转换后TON/N比值约为2：1。因此在本研究中当系统进水流TN浓度为13mgL-1时，TOC浓度需至少达到26mgL-1才能通过反硝化系统将氮去除。在此基础上，结合凋落物分解释放的TOC浓度，当凋落物的剂量为1.0gL-1时释放到水中的TOC最高浓度为26.8mgL-1，这已达到了去除进水流氮所需TOC的浓度。因此，本研究将凋落物添加量定为1.0gL-1。
值得注意的是，当凋落物用量为0.1gL-1时，单位凋落物释放的TOC达到148mgL-1，尽管释放的TOC浓度为14.8mgL-1。基于以上分析，为获得单位凋落物更高浓度的TOC释放量，提高凋落物的利用效率，应分批次向系统添加香蒲凋落物。
为进一步确定凋落物的添加方式，本研究评价了两种不同的添加方式对SFCW系统pH、DO以及脱氮效率的影响。
图2显示了不同添加方式下水体pH值的变化情况。结果表明，在SFCW系统中分批添加香蒲凋落物后，前期水体pH值略有下降（约0.4），主要是凋落物分解过程中释放的有机酸所致。
随着凋落物的不断加入，pH值并没有明显降低。首先，凋落物释放的有机酸可能会被水中的微生物降解。其次，所释放的有机物可能被反硝化细菌用于系统的反硝化，从而释放一定的碱，抑制pH的下降。但是，当一次性向系统中添加凋落物时，pH值在初期下降到较低的值（下降约1.1），这主要是由于系统中添加了更多的香蒲凋落物，导致释放到水中的有机酸浓度较高。随后，凋落物的分解速率放慢，有机酸在水中的释放降低，所以后期pH值趋于稳定。
值得注意的是，分批添加凋落物pH值的降幅（约1.2）明显小于一次性添加凋落物pH值的降幅（约2.0）。相比之下，分批添加凋落物对水体pH的影响较小，更有利于系统的反硝化过程。
图2：凋落物添加方式对水体pH值的影响
图3显示了凋落物的不同添加方式对水中DO的影响。结果表明当香蒲凋落物分批添加至系统，水体DO值逐渐下降，这是凋落物分解耗氧所致。
然而，当凋落物一次性添加至系统时，DO值在早期突然大幅下降（约2.1mgL-1），可能是由于分解需消耗大量DO。随后DO值又下降平缓，是由于凋落物分解进程变缓所致。相比之下，两种添加方式下最终的DO值并没有显著差异，但需要注意的是一次性添加凋落物会导致系统DO值突然下降，不利于微生物的生长繁殖，甚至可能影响体系统的反硝化效果。
基于以上分析，为减小凋落物添加量对系统水环境的影响，从而减少对系统反硝化的影响，提高凋落物的利用效率，应分批添加香蒲凋落物。
图3：凋落物添加方式对水体DO值的影响
总有机碳的变化和氮的去除
本研究测定了添加香蒲凋落物后系统进水和出水流的TOC值，以评价SFCW系统中脱氮菌能否有效利用凋落物分解过程中释放出的有机物进行脱氮，结果如图4所示。当系统添加香蒲凋落物以后，出水流的TOC值高于进水流，这主要是凋落物分解释放TOC所致。但是TOC在出水流中的增加是有限的，当HRT（水力停留时间）为1d、水深为40 cm时，TOC在空白对照组和植物组出水流中的增量分别为3.32和2.97mgL-1。值得注意的是，凋落物分解释放的TOC会达到14.8mgL-1，表明凋落物分解所释放出的有机物大部分为可降解有机物，能被微生物轻易分解，其中部分有机物可能被反硝化细菌用来反硝化，而只有很小一部分无法被微生物分解，最终随水排出，导致出水流TOC的轻微增加。
图4：香蒲凋落物处理下系统进水流和出水流的TOC含量
为了进一步确认凋落物分解所释放出的有机物是否被系统中脱氮菌所利用，本研究对凋落物添加后TN去除率和负荷的变化进行了评价，结果如图5所示。从图中可以观察到，添加香蒲凋落物后，系统的TN去除率和负荷均有显著提高。例如当香蒲种植密度为6棵、HRT为1天时，系统在不添加凋落物的情况下，TN去除速率和荷载量分别为20.5% 和1.12 gm-2 d-1；而添加凋落物后，TN去除速率和荷载量分别升至43.2% 和 2.36 gm-2 d-1。该结果表明添加香蒲凋落物改善了系统的反硝化效果，这可能是由于系统中反硝化细菌利用可降解有机物进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为纤维素、半纤维素和木质素。木质纤维素被水解成还原糖，而凋落物中的少量蛋白质被水解成可溶性蛋白质。因此，还原糖和可溶性蛋白质是香蒲分解的初始产物。在分解的中后期，通过厌氧发酵，两者将被转化为挥发性脂肪酸(VFA)。最后VFA成为系统反硝化过程的可利用碳源。综上所述，香蒲凋落物可以作为SFCW系统反硝化过程中的补充碳源。
图5：香蒲凋落物处理下系统TN的去除能力
菌群结构分析
微生物作为湿地系统反硝化过程的重要参与者，在整个系统的反硝化过程中起着至关重要的作用。因此，本研究在系统中添加香蒲凋落物后，对凋落物附近的沉积物进行了微生物群落分析，结果如图6所示。
从图中可以发现植物组在添加凋落物之前，其主要微生物（属水平，丰度>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，植物组的主要微生物为Dechloromonas（6.67%）和Rhodoplanes（2.06%）等。其中Dechloromonas 属于典型的反硝化细菌。
通过比较可以发现Dechloromonas 的丰度在添加凋落物以后显著增加，其原因可能是凋落物在分解过程中所释放出的一些有机物可以被反硝化细菌利用，并且DO水平也随着分解过程的消耗而降低，这些因素均可以促进反硝化细菌的生长和繁殖，进而改进系统的反硝化过程。
此外，水中溶解氧浓度的降低可能抑制硝化细菌的生长和繁殖。总而言之，凋落物的添加显著改变了系统中微生物的组成。
图6：系统在凋落物添加前后的微生物群落结构
（A：6棵植物；B：6棵植物+凋落物）
4. 系统年度运行效果
为了探究SFCW系统在不同季节的脱氮效率，本研究对香蒲凋落物施加后的脱氮情况进行了一年的测量评估，结果如图7所示。
结果表明，添加香蒲凋落物后，系统除氮量在不同季节中有显著的变化。除氮效率夏季最高，春秋两季次之，冬季最低。例如该系统对TN、NO3--N、NH3-N的平均去除率在春季分别为29.2%、27.8%、31.5%，在夏季分别为42.2%、41.0%、45.6%，在秋季分别为37.1%、35.8%、41.8%，而在冬季分别为24.4%、23.0%、30.8%。其原因可能是季节的变化不仅影响了植物的生长和水体温度的变化，还影响了凋落物的分解进程，进而影响凋落物有机物的释放。这些因素将对SFCW系统的脱氮效率产生重要影响。
值得注意的是，系统添加添加香蒲凋落物后，其反硝化效果的提高随着水温的降低而下降，这主要是由于凋落物分解速率随着水温的降低而降低。随之带来的影响是释放到水体中的有机物减少， 导致系统的反硝化效果下降。
因此，为了保证SFCW系统长时间稳定运行，应在秋冬季水温较低时改变凋落物的添加方式。最直接的方式是增加凋落物的添加剂量，但这又会对水体的pH和DO产生较大影响。所以提高凋落物的添加频率可能为更合适的方法。
图7：系统年度运行效果
（a）水温变化；（b）植物组系统氮的去除效率
总结
本研究通过添加香蒲凋落物作为补充碳源，改进SFCW系统反硝化脱氮过程，最终研究结果如下：
（1） 香蒲凋落物应分批添加至SFCW系统，减小凋落物分解对水体理化性质（pH，DO）的影响，同时单位质量凋落物释放的TOC较高，从而提高凋落物的利用效率，已获得更好的脱氮效果。因此凋落物的施加方式定为分批次添加，每次剂量为0.1NO3--N、NH3-N。
（2） 添加香蒲凋落物之后，SFCW系统出水流中的TOC没有明显增加，而系统对TN的去除率和负荷量显著增加，说明系统的反硝化细菌可以利用凋落物分解过程中释放的可生物降解有机物进行脱氮。
（3） 添加香蒲凋落物可在一定程度上提高系统的反硝化效率，夏季的增长水平较高，冬季增长水平较低。因此，为确保系统长期运行中稳定的脱氮效率，可考虑提高凋落物添加的频率。
本研究的测序和数据分析工作由上海派森诺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
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652618327501
