堿礦渣材料協(xié)同耐鹽植物強(qiáng)化人工濕地凈化高鹽水體的效果

張飲江，李 肖，程夢雨，趙志淼*

1. 上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 上海 201306

2. 河北省濕地生態(tài)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 衡水 053030

3. 水域環(huán)境生態(tài)上海高校工程研究中心, 上海 201306

4. 上海太和水科技發(fā)展股份有限公司, 上海 201306

隨著工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展和居民生活水平的不斷提高，地表水環(huán)境受到一定程度的污染與破壞，水體中的有機(jī)物和氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，通過河流匯入海洋，對近海水質(zhì)產(chǎn)生潛在威脅[1]. 植物修復(fù)技術(shù)是公認(rèn)的低成本、無污染且可循環(huán)的生態(tài)型修復(fù)手段，主要是利用植物的生長特性與物質(zhì)的循環(huán)再生原理，將受損水體中的污染物轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化并固定到植物體內(nèi)，促進(jìn)植物生長的同時實(shí)現(xiàn)水體凈化[2]. 人工濕地是一種生態(tài)化的水處理技術(shù)，因其成本低、效果佳、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各類水體的凈化與處理[3-4]. 人工濕地利用特定的基質(zhì)填料、植物和微生物組合，依靠理化和生物的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化[5-6].近年來，人工濕地用于處理高鹽廢水的研究也逐漸受到關(guān)注，有研究表明，在人工濕地中接種耐鹽菌株，能在很大程度上提高系統(tǒng)的脫氮除磷能力[7]，此外，人工濕地與微生物燃料電池(MFC)、厭氧反應(yīng)器等工藝的結(jié)合[8-9]，也能在高鹽度條件下很好地實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化.

盡管如此，現(xiàn)階段人工濕地凈化近海含鹽水的研究仍存在不足. 鹽度是制約生物機(jī)制發(fā)揮的主要原因，鹽離子對植物和微生物功能的發(fā)揮有直接影響，如導(dǎo)致細(xì)胞滲透壓差過高、細(xì)胞脫水甚至死亡[10]；篩選用于人工濕地的耐鹽水生植物可緩解水質(zhì)凈化效果難提高的問題，但植物種類、地域適用性與成本等問題仍有待探究；低溫也是制約人工濕地生物機(jī)制發(fā)揮的重要因素，會導(dǎo)致微生物和植物休眠甚至死亡，不利于人工濕地凈化含鹽水體. 另外，濕地基質(zhì)是微生物附著生長載體以及濕地植物生存的介質(zhì)，不同基質(zhì)表面的微生物環(huán)境差異會影響生物膜的建立與微生物群落結(jié)構(gòu)[11].

堿礦渣是一種煉鋼副產(chǎn)物，通過拉絲工藝將堿礦渣制成片狀織物材料，拉絲后的堿礦渣材料疏松多孔，將其置于人工濕地內(nèi)部不僅有利于系統(tǒng)內(nèi)部微生物富集和植物根系的穿透，且堿礦渣含有的鈣、硅、鋁等元素亦能強(qiáng)化濕地中的吸附、沉淀等理化作用. 更重要的是，該材料經(jīng)拉絲成片后會產(chǎn)生保溫功能，對所富集微生物與栽種植物起到保暖作用，進(jìn)一步強(qiáng)化了人工濕地的生物機(jī)制. 此外，堿礦渣在生產(chǎn)過程中不排放有害氣體，使用后可自然降解，是一種環(huán)保無機(jī)纖維[12]，其水化生成少量含鈣和硅的凝膠狀物質(zhì)[13]，進(jìn)一步與磷酸鹽反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，增強(qiáng)系統(tǒng)的除磷效果.

該研究將堿礦渣片狀材料置于人工濕地規(guī)模裝置內(nèi)部，構(gòu)建保溫型人工濕地，在前期研究[14]的基礎(chǔ)上，篩選常用人工濕地水生植物美人蕉(Canna indicaL.)、濱海常見功能性水生植物海三棱藨草(Scirpus mariqueter)與濱海入侵水生植物互花米草(Spartina alternifloraLoisel.)，實(shí)現(xiàn)堿礦渣材料協(xié)同耐鹽植物強(qiáng)化人工濕地凈化近海含鹽水體的效果，在單一、復(fù)合填料下，進(jìn)一步分析碳氮比、鹽度等因素對該強(qiáng)化型人工濕地的水質(zhì)凈化效果的影響，并通過植物生理生態(tài)性狀的改善與微生物群落豐度、分布的優(yōu)化情況闡述其凈化機(jī)理，以期為人工濕地用于近海高鹽水體修復(fù)提供參考.

1 材料與方法

1.1 人工濕地裝置構(gòu)建

該試驗(yàn)在上海海洋大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行，采用直徑為20 cm、高為50 cm的PVC圓管構(gòu)建小試人工濕地裝置(見圖1)，并在底部3 cm處設(shè)置出水口. 填料選取兩種不同粒徑的石英砂，其中不同位置鋪設(shè)片狀堿礦渣材料. 堿礦渣材料主要由含堿礦渣的片狀纖維材料壓制而成，其成分以CaO、MgO、SiO2、Al2O3、MnO、Fe2O3等為主(＞90%). 其中，單一填料裝置僅采用不同粒徑石英砂作為填料，從下往上依次分層填充大粒徑石英砂(4～8 mm)、小粒徑石英砂(2～4 mm)、大粒徑石英砂(4～8 mm)各5、20、20 cm；在石英砂填料中增加鋪設(shè)堿礦渣材料，構(gòu)成復(fù)合填料裝置，從下往上分層填充大粒徑石英砂5 cm、小粒徑石英砂20 cm、大粒徑石英砂10 cm、堿礦渣材料約0.5 cm(平面鋪滿裝置即可)、大粒徑石英砂10 cm. 選取耐鹽閾值不同、水質(zhì)凈化效果較好的3種耐鹽植物-美人蕉、互花米草、海三棱藨草，并將同等生長狀況的幼苗期植物分別栽種在單一填料與復(fù)合填料裝置中，根部距離填料最上層表面8 cm處，每個裝置內(nèi)種植3株，無植物裝置設(shè)為空白組，待植物適應(yīng)系統(tǒng)、生長穩(wěn)定后開始試驗(yàn). 具體試驗(yàn)裝置名稱見表1.

圖1 人工濕地試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of constructed wetland test device

表1 不同試驗(yàn)裝置設(shè)置Table 1 Name of the experimental units

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與運(yùn)行

前期研究[14]顯示，美人蕉、互花米草、海三棱藨草3種植物初步表現(xiàn)耐鹽特征，且堿礦渣材料能夠提升系統(tǒng)凈化效果. 因此，該試驗(yàn)在前期基礎(chǔ)上深入研究 在 高 碳 氮比(3∶1、4∶1、5∶1)、高 鹽 度(10、15、20)下，堿礦渣材料協(xié)同3種耐鹽植物對含鹽水體的凈化效果.

試驗(yàn)于2020年7-11月在上海海洋大學(xué)室外試驗(yàn)基地開展，氣溫為18～35 ℃，相對濕度為60%～90%. 參考GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，采用人工模擬配制高鹽廢水；同時根據(jù)3種植物耐鹽閾值差異度，參考近海高鹽水鹽度，設(shè)置3個較適宜的鹽度梯度，以研究不同進(jìn)水碳氮比和鹽度下，堿礦渣材料協(xié)同耐鹽植物的凈化效果. 此次試驗(yàn)進(jìn)水采用實(shí)驗(yàn)室配制的合成廢水，用葡萄糖調(diào)節(jié)廢水的COD濃度分別為90、120、150 mg/L，用硫酸銨調(diào)節(jié)廢水的NH4+-N濃度為30 mg/L，用磷酸氫二鉀調(diào)節(jié)廢水的TP濃度為2 mg/L，用氯化鈉調(diào)節(jié)廢水的鹽度分別為10、15、20.

人工濕地運(yùn)行方式采用周期間歇式入水，水力停留時間(HRT)設(shè)置為1、2、3、4 d. 試驗(yàn)期間于每天09:00收集待測水樣，體積約150 mL. 測試時每個樣品設(shè)置兩個平行試驗(yàn)，每個進(jìn)水條件進(jìn)行3組重復(fù)試驗(yàn).

1.3 檢測方法

水質(zhì)指標(biāo)檢測：pH、溫度、DO濃度、鹽度、氧化還原電位等物理指標(biāo)采用HQ40d便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀(Hach Company/Hach Lange GmbH, 美國)測定；NH3-N、NO3--N、NO2--N、TN、TP、COD濃度等化學(xué)指標(biāo)均根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[15]進(jìn)行分析.

濕地植物酶活性及生理指標(biāo)檢測：采用南京建成生物工程研究所提供的酶活試劑盒，分別測定不同裝置中植物葉片中可溶性糖含量(mg/g)、總蛋白濃度(g/L)、丙二醛(MDA)含量(nmol/L)及過氧化氫酶(CAT)活力(U/mg，以每mg組織蛋白每秒分解1 μmol的H2O2為一個活力單位).

微生物群落組成與多樣性檢測：收集植物根際微生物時需對每個裝置中的植物根系進(jìn)行多點(diǎn)取樣，之后混勻成一個樣品，并用無菌刷去除根表粘附基質(zhì)，將根系結(jié)合較緊密的基質(zhì)置于冷藏條件下運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，樣品置于無菌管中. 非根系基質(zhì)撇去不同裝置表層基質(zhì)，收集10～25 cm基質(zhì)(石英砂、新型礦渣材料)裝于無菌保鮮袋中，于4 ℃下冷藏備用. 將樣品送至上海美吉生物科技有限公司進(jìn)行微生物群落檢測，然后采用高通量測序法、運(yùn)用可操作分類單元(operational taxonomic unit, OTU)進(jìn)行植物根際微生物、石英砂填料及堿礦渣材料表面微生物檢測. 具體步驟見文獻(xiàn)[16-17].

堿礦渣主要成分的測定：采用X射線熒光光譜法(Axios X射線熒光光譜儀，帕納科公司，荷蘭)測定堿礦渣主要成分[18].

1.4 數(shù)據(jù)與分析

采用Excel 2010、SPSS 22.0軟件完成數(shù)據(jù)整理、繪圖和差異性顯著性分析，差異顯著性水平為0.05.

采用PICRUSt方法[19]對16S RNA擴(kuò)增子數(shù)據(jù)庫進(jìn)行宏基因組功能組成預(yù)測，該方法將高通量測序所得的16S RNA擴(kuò)增子數(shù)據(jù)庫與Green genes數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比，對OTU進(jìn)行功能注釋，得到OTU對應(yīng)物種的功能信息，以及各功能在不同樣本中的豐度信息. 根據(jù)最新的Evolutionary Genealogy of Genes:Non-supervised Orthologous Groups(Egg NOG)數(shù)據(jù)庫信息，對菌落進(jìn)行功能組成預(yù)測.

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物去除效果

由圖2可見，在不同鹽度(10、15、20)下，污染物去除效果隨碳氮比的變化呈顯著性差異(P＜0.05). 當(dāng)鹽度為10、碳氮比為5∶1時TN去除效果最佳；碳氮比為4∶1時TP、COD去除效果較佳. 當(dāng)鹽度為15時，系統(tǒng)對TN、TP的凈化效果優(yōu)于鹽度為10條件下，且整體在碳氮比為4∶1時達(dá)到最佳，TN、TP、COD的凈化率分別為45.38%、78.89%、50.32%，但在碳氮比為5∶1時，各裝置對COD的去除效果差異不顯著，與鹽度為15時相比，系統(tǒng)在鹽度為20鹽時的凈化效果更低. 結(jié)果表明，相對而言，鹽度為15時最適于污染物凈化，可能是因?yàn)椋m宜的鹽離子脅迫會刺激系統(tǒng)內(nèi)生物機(jī)制的應(yīng)激反應(yīng)，提高微生物和植物的耐受程度[20]. 在人工濕地凈化過程中，碳源是反硝化脫氮的關(guān)鍵因素，為了保證系統(tǒng)生物機(jī)制的正常發(fā)揮，在鹽脅迫的情況下應(yīng)給予充足碳源為宜，系統(tǒng)內(nèi)碳氮比的升高可為功能性微生物的生長提供養(yǎng)分，促使微生物機(jī)制的進(jìn)一步發(fā)揮，進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)水質(zhì)凈化效果.

圖2 不同碳氮比、鹽度條件對氮磷及有機(jī)物的去除效果Fig.2 Removal effect of nitrogen, phosphorus and organic matter under different carbon/nitrogen ratio and salinity conditions

鹽度為15、碳氮比為4∶1條件下CW-Sp與CW-Sc裝置對污染物的凈化效果較佳，因此具體探討CW-Sp、CW-Sc、CK與CW裝置在不同HRT下對NH4+-N、NO3--N、TP、COD的降解效果(見圖3).結(jié)果表明，在對氮的凈化效果中，氮元素形態(tài)主要為NH4+-N和NO3--N，隨著HRT的延長，系統(tǒng)中NH4+-N、NO3--N濃度呈先降低、后緩慢升高、再降低的趨勢，當(dāng)HRT為4 d時，CW-Sc裝置的降解效果最佳，NH4+-N、NO3--N濃度分別從26.20、2.36 mg/L降至14.57、1.04 mg/L，去除率分別為44.40%、56.10%，但NO2--N濃度幾乎不變. 在對磷的凈化效果中，TP濃度隨著HRT的增加而不斷降低，當(dāng)HRT為4 d時，CW-Sc裝置中TP濃度降至最低，TP平均濃度由2.36 mg/L降至0.47 mg/L. CW-Sc裝置降解COD的效果略優(yōu)于CW-Sp裝置，出水COD平均濃度由117.28 mg/L降至58.27 mg/L.

圖3 不同水力停留時間下各污染物濃度的變化情況Fig.3 The variation of pollutant concentration under different hydraulic retention time

CW-Sp裝置中互花米草的耐鹽閾值高于CW-Sc中的海三棱藨草[21]，應(yīng)表現(xiàn)出更佳的鹽脅迫與凈化水質(zhì)能力，但試驗(yàn)結(jié)果表明，CW-Sc裝置對TN、TP及COD的去除效果強(qiáng)于CW-Sp裝置，去除率分別為45.38%、78.89%、50.32%，原因可能是，CW-Sc裝置中添加的堿礦渣材料疏松多孔、高滲透率，且具有更大的比表面積，由此增強(qiáng)了海三棱藨草根系的穿透能力，利于植物生長，為微生物提供了更大的附著面積，促進(jìn)硝化反硝化菌等功能性微生物富集，提升了除氮效果；Nivala等[22]研究也表明，向CW裝置中加入附著生長介質(zhì)，可增加微生物生長所需的附著表面，從而顯著提高TN的去除率. 另外，材料高孔隙且含有鈣、硅、鋁等元素，既可增強(qiáng)填料對污水磷的吸附作用、提高生物膜活性、促進(jìn)磷污染物的微生物代謝，又利于污水與材料中鈣、鋁元素形成磷酸鈣、磷酸鋁沉淀，強(qiáng)化濕地內(nèi)部的理化作用，提高系統(tǒng)凈化能力.

2.2 植物酶抗性

可溶性糖含量能夠表征植物生長和存活能力及抗干擾能力，起到滲透調(diào)節(jié)的作用，植物體內(nèi)可通過增加可溶性糖含量來抵御外界的環(huán)境變化[23]. 由圖4可見，不同裝置中可溶性糖含量表現(xiàn)為CW-Sc＞CW-Sp＞CK-Sc，其中，CW-Sc裝置中可溶性糖含量最高，為56.17 mg/g，表明在鹽脅迫條件下，可溶性糖含量提高，以維持較高的滲透壓，增強(qiáng)植物抗鹽脅迫能力[24]，表明堿礦渣材料協(xié)同植物在一定程度上可誘導(dǎo)可溶性糖含量增加，海三棱藨草可產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來抵抗脅迫，因此，CW-Sc裝置的水質(zhì)凈化較好.

植物總蛋白濃度分析結(jié)果顯示，含有堿礦渣材料裝置中植物體內(nèi)總蛋白濃度積累量明顯多于單一基質(zhì)，表明堿礦渣材料在一定程度上能有效提升植物體內(nèi)蛋白濃度，促進(jìn)植物本身代謝，提升濕地系統(tǒng)凈化效果. MDA含量作為植物衰老生理和抵抗生理研究中的常用指標(biāo)[25-26]，可表示細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化程度、膜系統(tǒng)受損程度和植物的抗逆性[27-28]，從圖4可以看出，CW-Sc裝置中MDA含量低于CW-Sp裝置，且明顯低于CK-Sc裝置，而MDA含量與植物遭受逆境傷害的程度成正比，表明CW-Sc裝置中植物受損壞程度低，水質(zhì)凈化效果得到進(jìn)一步強(qiáng)化.

植物體內(nèi)存在活性氧清除系統(tǒng)，是植物抵抗外界環(huán)境變化的防線，系統(tǒng)中超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)是酶促防御系統(tǒng)中主要的保護(hù)酶[29]. 鹽脅迫導(dǎo)致植物細(xì)胞脫水，并且與活性氧(ROS)的產(chǎn)生密切相關(guān)，而植物通過大量的酶來保護(hù)自己免受氧化應(yīng)激的影響，以清除ROS，并恢復(fù)鹽度應(yīng)激條件誘導(dǎo)的細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)[30-31].由圖4可見，不同裝置中植物體內(nèi)CAT活力表現(xiàn)為CW-Sc＞CW-Sp＞CK-Sc＞CK-Sp，表明CW-Sc和CW-Sp裝置中植物在堿礦渣材料協(xié)同下，會誘導(dǎo)保護(hù)酶活性升高，進(jìn)而增強(qiáng)了海三棱藨草和互花米草對鹽脅迫的抵抗能力. CW-Sc裝置中海三棱藨草葉部含量(2.27 U/mg)高于CW-Sp裝置中的互花米草，由于植物在鹽脅迫下體內(nèi)CAT的活力水平與其耐鹽性存在相關(guān)性[32]，表明CW-Sc裝置中海三棱藨草在堿礦渣協(xié)同下，對高鹽度環(huán)境的抵抗能力優(yōu)于互花米草.

圖4 不同裝置中植物酶活性比較Fig.4 Comparison of plant enzyme activities in different plants

2.3 微生物

通過CW-Sc裝置中堿礦渣材料的電鏡掃描(SEM)結(jié)果可知，未處理的堿礦渣原材料表面光滑，且無明顯附著物，為棒狀纖維狀結(jié)構(gòu)〔見圖5(a)〕，相比之下，CW-Sc裝置內(nèi)材料表面粗糙，且有明顯微生物掛膜〔見圖5(b)〕，富集微生物效果較佳.

圖5 不同倍數(shù)下微生物膜與結(jié)晶后鹽離子電鏡掃描圖Fig.5 SEM images of microorganism membrane and salt ions after crystallization at different multiples

在鹽脅迫下，CW-Sc裝置中形成大量微生物膜，且微生物富集明顯，形成了菌膠團(tuán)，原因可能是，堿礦渣材料的添加提高了系統(tǒng)填料的孔隙率和比表面積，增大了系統(tǒng)內(nèi)微生物生長的面積和空間，從而促進(jìn)微生物生長與聚集，提高微生物豐度. 堿礦渣材料可有效作為系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)填料，在鹽脅迫條件下也能很好地進(jìn)行微生物掛膜，且增大附著微生物膜密度，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的整體效能.

植物根際微生物、石英砂填料與堿礦渣材料表面微生物的alpha多樣性分析如表2所示. 結(jié)果顯示，測序覆蓋率均高于99%，表明此次測序深度合理，基本能代表樣本的真實(shí)情況. 由表2可見，CW-Sc裝置中植物根際微生物的Shannon-Wiener、ACE、Chao1指數(shù)高于CW-Sp裝置，表明在堿礦渣材料的影響下CW-Sc裝置中植物根際微生物種類較豐富、群落豐富度高，更能有效發(fā)揮植物在水質(zhì)凈化過程中的作用.

由表2可見，含堿礦渣材料各裝置(CW、CW-Ca、CW-Sc、CW-Sp)中石英砂填料表面微生物Shannon-Wiener、ACE、Chao1指數(shù)相較于單一石英砂填料裝置(CK、CK-Ca、CK-Sc、CK-Sp)均有所提高，其原因可能是，堿礦渣材料不僅疏松多孔有利于植物扎根，且具備高吸附性，亦可協(xié)同石英砂強(qiáng)化微生物富集，進(jìn)而強(qiáng)化濕地的生物作用. 研究[33]表明，不同填料組合配置既能發(fā)揮各自去除能力又可協(xié)同發(fā)揮濕地中植物與微生物的優(yōu)勢. 由表2可見，CW-Sc裝置中堿礦渣材料微生物的Shannon-Wiener、ACE、Chao1指數(shù)明顯高于CW-Sp裝置，表明堿礦渣材料在CW-Sc裝置中對系統(tǒng)微生物活性、種群多樣性和生物功能均可產(chǎn)生顯著影響，海三棱藨草由于其有更好的耐鹽性，相對于美人蕉與互花米草而言，其在處理含鹽廢水時能更好地協(xié)同堿礦渣材料，促進(jìn)微生物富集，提高微生物豐度，增強(qiáng)水質(zhì)凈化的效果.

表2 不同裝置中微生物alpha多樣性分析Table 2 Alpha diversity analysis of microorganisms in different devices

CW-Sc裝置中植物與石英砂填料及堿礦渣材料表面微生物的Simpson指數(shù)低于CW-Sp裝置，說明植物種類、系統(tǒng)填料種類的不同可以導(dǎo)致植物根系、基質(zhì)比表面積和孔隙率的差異[34]，從而改變微生物群落的生長環(huán)境，進(jìn)而影響植物根際微生物及填料表面微生物的掛膜情況. 相較于CW-Sp裝置，CW-Sc裝置內(nèi)微生物總量顯著增加，而微生物種類較少，推測可能是因?yàn)樘囟ǖ哪骋活惢蚰硯最惞δ苄晕⑸锏臄?shù)量得到了富集[35].

微生物對人工濕地系統(tǒng)中污染物的去除起到重要作用[36]. 目前關(guān)于人工濕地微生物研究主要集中在微生物群落組成方面[37]. 由圖6可見，不同裝置中植物根際、石英砂填料與堿礦渣材料表面微生物在綱水平上平均相對豐度大于1%的微生物群落結(jié)構(gòu)存在差異，分別共發(fā)現(xiàn)10、15、13菌綱，其中植物根際微生物含有γ-變形菌綱、α-變形菌綱、放線桿菌、藍(lán)細(xì)菌、擬桿菌5種優(yōu)勢菌綱；石英砂填料與堿礦渣材料表面微生物類群含有藍(lán)藻細(xì)菌綱、γ-變形菌綱、α-變形菌綱、放線桿菌等優(yōu)勢菌綱. 從圖6(b)(c)可以看出，相較于無植物裝置，各植物裝置基質(zhì)表面微生物群落結(jié)構(gòu)差異顯著，表明植物對微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響；同時，CW-Sc裝置中石英砂填料與堿礦渣材料微生物群落結(jié)構(gòu)分布較均勻，且優(yōu)勢菌(藍(lán)藻細(xì)菌綱、γ-變形菌綱)相對豐度優(yōu)于CW-Sp裝置，原因可能是，堿礦渣材料可有序優(yōu)化微生物比例，協(xié)同發(fā)揮各菌種優(yōu)勢，以防明顯優(yōu)勢菌種惡意繁殖，為植物生長發(fā)育提供良好的環(huán)境. 由圖6(a)可知，CW-Sc裝置在堿礦渣材料協(xié)同下，植物根際γ-變形菌綱、α-變形菌綱、放線桿菌比例提高，而相關(guān)研究表明，γ-變形菌綱、α-變形菌綱均屬于革蘭氏陰性菌，而革蘭氏陰性菌的富集有利于濕地中污染物的降解[38].同時已有研究表明，桿菌對環(huán)境變化適應(yīng)能力較強(qiáng)[39]，可促使系統(tǒng)適應(yīng)鹽脅迫，強(qiáng)化水質(zhì)凈化效果.

圖6 微生物群落多樣性分布（綱水平上）Fig.6 Microbial community diversity distribution (Class level)

為進(jìn)一步探討植物根際、石英砂填料和堿礦渣材料表面微生物群落功能的差異，經(jīng)16SrRNA蛋白質(zhì)直系同源基因簇(clusters of orthologous groups of proteins, COG)功能預(yù)測和分析(見圖7)可知，相較于植物根際和堿礦渣材料表面所富集的微生物群落COG結(jié)果，石英砂填料表面富集微生物群落所表現(xiàn)出的COG功能更全面，如氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝(amino acid transport and metabolism)、信號傳導(dǎo)機(jī)制(signal transduction mechanisms)、細(xì)胞壁、膜、包膜的生物發(fā)生(cellwall/membrane/envelope biogenesis)、能源生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換(energy production and conversion)等，且豐度更高. 值得一提的是，CW-Sc裝置中植物根際、石英砂填料和堿礦渣材料表面微生物群落所預(yù)測的功能性類別中氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝豐度最高. 因?yàn)槲⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)分析中已表明，堿礦渣材料可提升放線桿菌、擬桿菌比例，而擬桿菌等桿菌參與氨基酸代謝、能源轉(zhuǎn)化等過程，產(chǎn)生氨基酸發(fā)酵代謝產(chǎn)物[40]，可加強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)氨基酸代謝與能量產(chǎn)生、增強(qiáng)氨基酸、能源轉(zhuǎn)化功能性菌的豐度. 推測CW-Sc裝置中堿礦渣材料存在協(xié)同機(jī)制，可誘導(dǎo)微生物的活性，促使革蘭氏陰性菌富集，提升桿菌比例，增強(qiáng)氨基酸、能源轉(zhuǎn)化等功能的表達(dá)，優(yōu)化微生物群落的結(jié)構(gòu)和分布. 同時微生物群落和功能化的多樣化有利于系統(tǒng)的運(yùn)行，并增強(qiáng)系統(tǒng)對外界環(huán)境脅迫的耐受能力，強(qiáng)化水質(zhì)凈化效果.

圖7 COG功能分類統(tǒng)計(jì)箱式圖Fig.7 Statistical box diagram of COG functional classification

3 結(jié)論

a) 濕地系統(tǒng)中海三棱藨草與互花米草在高鹽度脅迫下對高鹽水體的凈化效果優(yōu)于美人蕉，均表現(xiàn)出一定的耐鹽性，其中當(dāng)鹽度為15、碳氮比為4:1時，CW-Sc裝置對TN、TP、COD的凈化效果較好，凈化率分別為45.38%、78.89%、50.32%.

b) 植物葉片酶活性分析表明，CW-Sc裝置中可溶性糖含量、CAT活力均高于其他裝置，堿礦渣材料協(xié)同植物在一定程度上可誘導(dǎo)可溶性糖含量增加，提升植物體內(nèi)蛋白濃度與保護(hù)酶活性，促進(jìn)植物本身代謝，增強(qiáng)海三棱藨草對鹽脅迫的抵抗能力；同時，植物體內(nèi)MDA含量較低，植物受損壞程度降低，提升了濕地系統(tǒng)凈化效果.

c) SEM結(jié)果表明，堿礦渣材料能顯著促進(jìn)系統(tǒng)在鹽脅迫條件下有效掛膜，且CW-Sc裝置中堿礦渣材料在鹽度為15條件下，高鹽環(huán)境下微生物掛膜效果仍顯著，堿礦渣材料的鋪設(shè)有助于改善系統(tǒng)填料環(huán)境，促進(jìn)微生物富集，提升微生物豐度.

d) 與其他裝置相比，CW-Sc裝置中植物根際和石英砂填料表面微生物群落的豐度和多樣性更佳，堿礦渣材料提高了系統(tǒng)中功能性微生物的豐度，有序優(yōu)化微生物群落比例和分布，協(xié)同發(fā)揮各菌種優(yōu)勢，增加微生物群落結(jié)構(gòu)根際革蘭氏陰性菌與放線桿菌、擬桿菌等桿菌的比例，促使系統(tǒng)適應(yīng)鹽脅迫與提升微生物COG功能豐富度，強(qiáng)化濕地中污染物的降解效果，改善水環(huán)境.