Response characteristics of plants and pollutant removal in subsurface flow constructed wetlands under resting operation

潜流人工湿地静止运行时植物响应特征及污染物去除

来源：Chemical Engineering Journal,  494 (2024) 152930

《化学工程杂志》，第494卷 (2024年)，文章编号 152930


摘要内容：

摘要研究了不同停床周期（2天、5天、9天）对潜流人工湿地（SSF CWs）中植物生理代谢、污染物净化效果及微生物响应的影响。结果表明，停床操作诱导湿地植物形态适应，显著提高根冠比和比根长；2天停床（LD）增强根系泌氧（ROL），促进湿地复氧，提高化学需氧量（COD）和总磷（TP）去除率；停床后根际微生物的无机磷溶解功能增强，而过长停床（>5天）抑制植物和微生物活性，降低净化性能。植物通过调节根系性状调控根际微生物，是制定停床策略的关键参考指标。


研究目的：

确定潜流人工湿地（SSF CWs）的合理停床周期，阐明停床操作下植物生理响应、根际微生物调控与污染物去除的关联机制，为湿地运维策略提供理论依据。


研究思路：

实验设计：设置两种基质深度（0.1 m浅床CW1、0.6 m深床CW2）的湿地反应器，对比无停床（CK）与三种停床周期（2天LD、5天MD、9天HD）的运行效果。


变量控制：模拟生活污水，监测90天内植物生理指标、污染物去除率、根际微生物群落及功能基因变化。


机制分析：通过植物抗氧化系统、根系形态、微生物测序（16S rRNA）和功能预测（PICRUSt2），解析停床对湿地功能的驱动机制。


测量的数据及研究意义：

植物生理与形态数据（图3、图4）：

抗氧化指标（MDA、T-AOC、REC、Proline）：反映植物应激损伤程度，停床>5天（HD）显著升高（图3）。

根系性状（根冠比、比根长、ROL、根系活性）：停床2天（LD）ROL最高，促进复氧；停床9天（HD）比根长增加但活性下降（图4c,d）。


意义：揭示植物通过调整根系构型（如增加细根）适应水分胁迫，ROL直接影响湿地氧化环境。


污染物去除数据（图2）：

COD、TP、NH₄⁺-N、TN去除率：LD组COD和TP去除最优（CW1中TP去除率73.5%），HD组显著下降（图2a,b）。

氮磷去除途径贡献：停床后植物吸收磷占比增加，微生物除磷在LD组提升7.53%（图2c）。


意义：量化停床周期对净化效率的影响，关联ROL与COD/TP去除的正相关性（r=0.72–0.75）。

微生物群落与功能数据（图5）：

微生物组成：停床后变形菌门（Proteobacteria）占比>69%，LD组黄杆菌（Flavobacterium）富集（图5a,b）。

功能基因：LD组固氮基因（nifDHK）和磷溶解基因（gcd）上调；MD组硝化基因（amoABC）增强（图5c-e）。


意义：阐明微生物功能响应（如好氧硝化、磷活化）如何驱动污染物去除，验证植物-微生物互作机制。


环境参数（图4e）：

出水溶解氧（DO）：LD组DO最高（平均3.1 mg/L），与ROL正相关。


意义：直接证明停床复氧效果，DO与NH₄⁺-N、TP去除率显著正相关（r=0.59–0.60）。


结论：

停床2天（LD）为最优策略，通过增强根系泌氧（ROL）提升COD/TP去除率，促进根际好氧硝化和磷溶解功能。


植物通过调节根冠比、比根长等性状适应停床胁迫，根系性状是制定停床周期的关键指标。


停床>5天（HD）导致植物抗氧化系统崩溃（MDA、Proline激增）和微生物功能抑制，净化性能恶化。


浅床湿地（CW1）因根系冗余效应更适应停床，深床（CW2）受水分胁迫影响更大。



丹麦Unisense电极测量数据的研究意义：

使用丹麦Unisense微电极（型号MM336155）原位测定根系径向氧损失（ROL）。该数据意义在于：

直接量化根系泌氧能力：ROL是湿地复氧的关键途径，LD组ROL最高（图4d），解释其DO提升（图4e）及COD/TP高效去除（图2a,b）的机制。


揭示植物应激响应：ROL变化反映植物生理状态——短期停床（LD）激活泌氧适应水分胁迫，而长期停床（HD）因膜脂过氧化（MDA升高，图3a）抑制ROL，导致功能衰退。


关联微生物活性：高ROL促进根际好氧菌（如Zoogloea）富集（图5b），驱动有机降解（COD去除）和磷溶解（gcd基因表达，图5d），为"植物-微生物"协同除污提供证据。