湿地芦苇根系微生物群落组成与环境应用.docx

一、引言

湿地作为“地球之肾”，在自然生态环境中具有污染净化作用。受自然湿地的启发，在水处理工程中，可通过人工构建湿地系统有效降解、转化以及去除废水中的污染物。人工湿地（constructedwetland,CW）与传统污水处理厂相比具有优越的性能，在过去的20年里得到了迅速的发展，因此越来越受到研究者的关注（图1）。CW性能稳定，外部能源需求低，并且易于操作和维护，这使其适用于没有公共污水处理系统或经济欠发达地区的分散式废水处理。

图1.2000—2020年发表的关于（芦苇）人工湿地的文章总数。数据来源于“WebofScienceCoreCollection”，灰色代表使用人工湿地作为关键词的文章总数，黑色代表使用芦苇及人工湿地作为关键词的文章数量。

CW中污染物的去除是一个复杂的过程，主要涉及土壤颗粒、微生物和植物的综合作用。CW中的这三部分在污染修复中发挥着不同的作用：土壤颗粒过滤和吸附污染物，从而为植物和微生物的降解和转化提供更大的机会。植物根系环境富集的微生物由于根际效应在湿地污染物的去除中起着重要作用。根系微生物反过来也能够给植物吸收和同化提供转化物质，比如硝酸根。因此，植物与微生物之间的相互作用对于CW的性能至关重要，并且近年来受到越来越多的关注。以往对植物与微生物之间相互作用的研究，主要围绕着如何调控根系微生物组以提高作物产量、抗病虫害和抗干旱能力等方面，而很少关注湿地植物与其根系微生物的相互作用及功能。为了提升CW的水净化能力，需要我们对湿地植物与微生物的相互作用关系以及它们对污染修复的贡献有更深的理解。

芦苇作为一种多年生的挺水植物，具有非常强的环境适应能力，因而广泛分布于自然湿地中，在水生生态系统中形成密集的优势群落，是湿地中最常见的植物之一。不仅如此，芦苇是CW中最常采用的植物之一，近20年来，芦苇在湿地植物中所占比例高达15.5%（图1），在实际工程污水处理厂中比例更高。鉴于它们在天然湿地中的广泛分布和在CW中的大规模应用，芦苇及其根系微生物群落在污染物修复和改善湿地功能方面表现出独特的潜力。

为了确定如何使用集体影响方法在CW中增强基于微生物的控制策略，应努力了解芦苇根系与微生物之间的共生关系。因而，在本文中，我们总结了以往关于芦苇根系微生物群落的相关研究，包括以下几个方面：①芦苇根系微生物群落对污染修复的贡献；②根系微生物中细菌、古菌和真菌的群落在污染物去除过程中的作用；③芦苇在CW中的广泛应用，其中潜在的生物强化方法可用于增强污染物去除效果。在此基础上，我们还总结了当前研究的优势和不足，并提出了该领域的未来发展方向。

二、芦苇根系微生物群落在金属、有机物和营养物质去除中的作用

由于CW受到不同类型污染物的影响，芦苇根系微生物群落必须在不同的场景中应对不同的污染物类型，即金属离子、有机物（organicmatter,OM）或营养元素等。

（一）金属离子

金属离子的去除主要依赖于植物根系环境。对于锌（Zn）、铁（Fe）、锰（Mn）等与植物生长和光合作用有关的金属离子，植物的同化作用是首要考虑的因素，尤其是当金属离子浓度较低时。离子可以被植物吸收，然后转移到枝条和叶子上。而在厌氧和缺氧环境中，由于外界的氧化还原电势的变化，这些金属离子会形成沉淀。与根系微生物相关的植物根系分泌物可通过分泌次生化合物介导溶解来影响金属离子的生物利用度和抗聚集性。例如，已知铁载体在各种元素的螯合和溶解中发挥作用。

其他对人体健康和环境有害的金属离子，如砷（As）和铬（Cr）离子，在较高浓度的时候，能被植物根系微生物固定和转化。这也被认为是重金属废水处理中稳定金属离子的主要方法。芦苇在高浓度金属离子胁迫下可以形成根表铁膜（Feplaque）以增强湿地对这些重金属离子的吸附作用。根表铁膜的产生主要是由于植物根系强大的泌氧能力，以及植物根系环境富集的铁氧化菌。铁膜是无定形氧化物或氢氧化物，它们为微生物聚集和金属离子吸收提供了足够的场所。因此，芦苇根系中的铁膜可以螯合高浓度的金属离子。某些有害离子如As(III)可以吸附在铁膜上，并被As氧化根栖细菌氧化成危害较小的As(V)。同样的，在面对汞和硒污染的时候，也会发生相同的过程。本文稍后将提供更详细的讨论。

综上所述，上述过程可以将金属离子从土壤中的聚集体迁移到植物和微生物中，从而降低土壤污染的风险并提高CW的性能。

（二）有机物

在污水处理过程中，有机污染物通常采用化学需氧量（COD）或者生化需氧量（BOD）衡量污染程度或判断处理设施的处理效率。研究发现，在处理人工废水的CW中，种植芦苇能够提高废水中COD和有机氮的去除率。芦苇本身能够吸收一定量的可溶性OM（辛醇/水分配系数lgKow=0.5~3.5），如三聚乙烯（trichloroethene,T