人工濕地是20世紀70年代興起的一種新型處理污水方式，它利用濕地中基質、水生植物、微生物之間的相互作用，凈化生活及工業污水，具有較強的脫氮除磷能力和顯著的生態環境效益，能夠實現廢水資源化處理。國內外進行了大量有關人工濕地基質粒徑和植物對廢水去除效率的研究和應用。人工濕地不僅可以進行廢水處理，同時濕地中的植物和基質會為微生物提供附著位點，有利于微生物的生長。
研究表明，不同的基質粒徑和植物會影響微生物的群落。在人工濕地運行中，種植植物的脫氮效果顯著優于無植物對照組，加種植物后濕地脫氮效率提高了17%〜65%。LU等研究了種植不同植物與無植物對照組相比，微生物豐富度和生物多樣性增加，而且相關的反硝化菌屬(假單胞菌、不動桿菌、根瘤菌和芽抱桿菌)豐度增加，增強了脫氮效果。DU等發現植物的種植增加了垂直流人工濕地功能微生物的豐度，并推測假單胞菌屬可能是微生物除磷吸附的主要菌屬。但是，大量的研究釆用的進水TN的質量濃度為25〜40mg/L的低含量污水；而進水TN的質量濃度在7.94-11.21mg/L的研究較少，且對于基質和植物種植對微生物群落的影響以及與處理效果之間關系研究較少。
為了系統地研究復合人工濕地對超低含量污水的凈化效果及其與微生物群落的關系，研究采用構建4組潛流-表面流復合人工濕地進行實驗以及高通量測序的方法，考察不同基質粒徑與植物組合的復合人工濕地對超低含量污水的脫氮除磷性能以及潛流濕地微生物群落的變化，以及潛流濕地脫氮除磷性能與微生物群落的關系。
一、實驗部分
1.1 復合人工濕地的構建
如圖1所示，復合人工濕地由潛流人工濕地和表面流人工濕地組成，潛流濕地反應器尺寸為1.2mx0.4mx1.1m，表面流濕地尺寸為1.5mx0.4mx1.2m，濕地小試裝置均由PVC板材構建而成。實驗反應器位于重慶大學校內，實驗進水采用生活污水稀釋過后的超低含量污水，通入人工濕地中進行凈化。
復合人工濕地共設置4組，分為A1、A2、B1、B2，基質為礫石，厚度均為30cm�；|上部均為30〜200mm的碎石表層，厚度15cm。下部為20〜40mm的碎石承托層，厚度30cm。潛流濕地與表流濕地的具體配置如表1所示
4組復合濕地的表面流濕地底部由厚度0.2m粒徑為30〜400mm的碎石承托層和0.3m的土壤組成。在4組表面流人工濕地中，均投加沉水植物、浮水植物，黒藻、金魚藻、苦草、大萍和粉綠狐尾藻。復合人工濕地植物的種植密度為50株/m%每組復合人工濕地實驗進水體積流量為120m3/d，整體水力負荷為0.12m7(m2•d)，總HRT為3d。
1.2 實驗方法
復合人工濕地于2018年4月初搭建完畢并開始運行，進水方式為連續進水。實驗選取5—11月的數據進行分析。進水TN、NH3-N、TP的質量濃度平均分別為(8.59±0.79)、(8.18±0.82)、(0.58±0.10)mg/L。
1.3 分析方法
TN含量測定采用堿性過硫酸鉀消解分光光度法測定，TP含量測定采用過硫酸鉀-鋁酸鍍分光光度法測定，NH3-N含量測定采用納氏試劑分光光度法測定，DO含量采用HACH(hqlld)儀器測定。
使用通用細菌引物16SrRNA的5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3'禾U5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'(V3-V4區)對提取的DNA進行PCR擴增。將所有序列讀數聚類到操作分類單位(OTU)(相似性閾值為97%)。高通量測序服務由上海某生物平臺提供。
1.4 統計方法
用單因素方差分析(One-wayANOVA)進行差異性分析，檢驗數據間的差異性。所有統計分析均采用SPSS23.0版軟件進行，并在P<0.05水平時被認為是顯著的。
二、結果與討論
2.1 污水的凈化效果
復合人工濕地NH3-N，TN和TP去除率如表2所示。
由表2可知，NH3-N、TN、TP總去除率最高的均為Al組。潛流濕地的脫氮除磷主要發生在潛流濕地內部，表面流濕地脫氮除磷較少，因此將4組潛流濕地的脫氮除磷差異作為主要分析對象。脫氮效果最好的為A1組，與其他組有顯著差異。
2.2 潛流濕地的凈化效果
2.2.1 NH3-N的去除
圖2為潛流人工濕地中進出水的NH3-N含量變化。
由圖2可知，進水NH3-N的質量濃度平均為&18mg/L，Al、A2、Bl、B2的潛流濕地出水NH3-N的質量濃度平均分別為4.50、4.84、4.95、4.69mg/L，平均去除率分別為64.07%、53.48%、57.94%、46.64%。夏季去除效果要優于秋季，表明基質粒徑和植物對NH3-N的處理效果有影響，風車草的處理效果優于梭魚草，植物的直接吸收作用較小，但是植物根部會分泌碳源和氧氣，有利于微生物的生長，增加了微生物對NH3-N的去除作用，這可能與植物的種植改變了基質微生物群落有關。
梭魚草和風車草在細粒徑基質中的硝化作用要優于粗粒徑基質中，因此在脫氮處理效果中，硝化作用和反硝化作用起到主要作用。由于不同植物根部會攜帶不同的微生物，而且梭魚草和風車草在5〜20mm礫石中能夠為微生物提供更多的附著面積，因此脫氮效果最好。
4組潛流濕地的進水DO的質量濃度為4.45mg/L，出水DO的質量濃度分別為4.84、3.78、4.65、3.51mg/L。由于細粒徑中的DO量要多于粗粒徑，有利于硝化作用的進行。DO含量增加可以有效提升硝化反應速率。細粒徑去除效果優于粗粒徑，是因為細粒徑不僅能提供更多的附著面積，還能有利于提高DO含量，所以增強NH3-N的去除效果。
2.2.2 TN的去除
圖3為潛流人工濕地中進出水的TN含量變化。
由圖3可知，復合人工濕地的進水TN的質量濃度平均為8.59mg/L，Al、A2、Bl、B2的潛流濕地出水TN的質量濃度平均分別為4.50、4.84、4.95、4.69mg/L，平均去除率分別為62.78%、50.79%、54.87%、44.31%。NH3-N和TN的去除效果較為相似，且NH3-N是進水中氮的主要來源(90%左右)，說明了NH3-N并不是轉化為其他形式的氮而降低，即潛流濕地有較強的反硝化作用。夏季去除效果要優于秋季。表明基質粒徑和植物對TN的處理效果有影響，風車草的處理效果優于梭魚草，但是植物根部會分泌碳源，改變了微生物群落，有利于反硝化細菌的生長，增加了微生物對TN的去除作用。
梭魚草和風車草在細粒徑基質中的硝化作用要優于粗粒徑基質中，因此在脫氮處理效果中，由于細粒徑基質由更大的比表面積，有利于對NH3-N的吸附，且為微生物提供更多的附著面積，因此脫氮效果更好。
2.2.3 TP的去除
圖4為潛流人工濕地中進出水的TP含量變化。
由圖4可知，復合人工濕地的進水TP的質量濃度平均分別為0.58mg/L，Al、A2、Bl、B2的平均去除率分別為41.89%、38.73%、33.81%、30.89%。夏季去除效果要優于秋季�；|吸附是磷去除的主要因素。濕地中的磷主要通過植物吸收、基質吸附和微生物同化作用去除，而基質對磷的物化吸附和化學沉降是最重要的去除機理，對以任何形式存在的磷均能有效去除。
LU等指出，人工濕地基質填料對磷的吸附、截留、交換等作用的比例大約為26%。。本實驗結果表明，基質粒徑和植物對TP的去除均有影響。細粒徑組的去除率顯著優于(p<0.05)粗粒徑組，粒徑5〜20mm的礫石比粒徑20〜40mm的礫石有著更大的比表面積，可以更好地吸附磷。
人工濕地中除磷菌多為異養細菌(不動桿菌和假單胞菌等)。DU發現上述不動桿菌和假單胞菌可能是主要的在人工濕地中負責去除TP的屬叩。風車草組除磷效果優于梭魚草組，這可能是分泌物和碳源有利于不動桿菌和假單胞菌生長，提高了除磷能力，因此除磷效果更好。
2.3人工濕地微生物群落
2.3.1微生物序列和多樣性
采用夏季潛流濕地根系土壤進行微生物測序，微生物多樣性和豐度如表3所示。
由表3可知，各組潛流濕地中根系微生物測序中序列覆蓋率大于0.98，說明了測序結果很好顯示了樣本的真實情況。A1組風車草的3個豐富度指標均最高，B2組梭魚草最低，說明A1組風車草的種植有效改善了微生物豐富度。A1組風車草的Shanoon指數最高，B2組梭魚草Shanoon指數最低，說明了風車草的種植能有效的改善群落多樣性，這可能是植物根系泌氧和根系分泌碳源的原因，有利于微生物富集與生長。
通過A1、A2與B1、B2比較，發現細粒徑植物根系微生物多樣性和豐富度都比粗粒徑組要高，這可能與水體DO含量較高以及細粒徑有更大的比表面積，有利于微生物的生長有關。
2.3.2微生物組成差異
潛流人工濕地各組微生物門水平組成如表4。
由表4可知，將微生物檢測頻率>1%的菌門做為主要菌門，共有8個。其中6大優勢菌門依主次為變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)和硝化螺旋菌門(Nitrospirae)。A1組風車草的變形菌門的相對豐度最低，原因是風車草的種植改善了微生物多樣性。據相關研究，變形菌門和厚壁菌門有豐富的反硝化菌屬，對反硝化有重要的作用，硝化螺旋菌門有著豐富硝化功能菌屬問。A1組風車草的厚壁菌門和硝化螺旋菌門相對豐度最高，這可能是A1組潛流濕地有較高的氮去除率的原因。風車草和梭魚草的菌門豐度有較大差異，這可能是風車草與梭魚草的根系分泌物不同，影響微生物的群落。通過結果比較，細粒徑基質組變形菌門的豐度相對較低，這是細粒徑改善了微生物的多樣性�；|的粒徑對微生物群落產生了影響，這可能是粒徑差異引起了DO含量變化，影響微生物群落的結構。
據有關研究，人工濕地中有著豐富的反硝化細菌。其中，主要作用的異養反硝化細菌包括不動桿菌屬(.Acinetobacter)>假單胞菌屬(Pseudomonas)、芽抱桿菌屬(Bacillus)、脫氯單胞菌屬(Dec/i/oromonas)和羅思河小桿菌屬(Rhodanobacter')等，主要的自養反硝化細菌有硫桿菌屬(Thiobacillus)和熱單胞菌屬(Thermomonas)等“人工濕地中的主要氨氧化細菌包括氨基桿菌屬(4minobacterium')、亞硝化單胞菌屬〈Nitrosomonas')、亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)和亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)等W硝化桿菌屬(.Nitrobacter')和硝化螺菌屬(Nitrospira)具有硝化功能問。LU等發現了不動桿菌和假單胞菌具有高效聚磷作用，是主要的人工濕地去磷菌屬。
表5為潛流濕地中豐度大于0.5%氮磷功能微生物菌屬。
由表5可知，主要的反硝化菌屬是不動桿菌屬、假單胞菌屬、芽鞄桿菌屬等異養反硝化菌屬，主要的除磷菌屬是不動桿菌屬、假單胞菌屬。風車草的假單胞菌屬、不動桿菌屬和芽抱桿菌屬豐度明顯高于梭魚草，說明了風車草更有利于富集反硝化和除磷菌屬，這可能是風車草分泌更多的碳源，加速了異養菌的生長所致。細粒徑組的不動桿菌屬、假單胞菌屬、芽抱桿菌屬的豐度明顯高于粗粒徑組，這是因為細粒徑組有更高的DO含量，為反硝化細菌和除磷菌提供了更適宜的生長環境。
亞硝化單胞菌屬(氨氧化細菌)豐度遠小于硝化螺菌屬(硝化細菌)，但是各組人工濕地都對氨氮有較好的的去除效果，原因是硝化螺菌屬不僅具有硝化功能，還具有氨氧化功能，所以硝化螺菌屬是主要的氨氧化菌屬切。A1組風車草的硝化螺菌屬(NH3-N去除率最高)豐度最高，表明硝化螺菌屬豐度與人工濕地氨氮去除率有關。人工濕地主要的反硝化細菌是異養反硝化細菌(不動桿菌屬、假單胞菌屬、芽抱桿菌屬)，為總反硝化菌屬總豐度的70.8%~79.6%，所以這3個菌屬在TN去除過程中的主要菌屬。A1組風車草的不動桿菌屬、假單胞菌屬、芽抱桿菌屬(TN去除率最高)總豐度最高，表明不動桿菌屬、假單胞菌屬、芽抱桿菌屬豐度增加有利于人工濕地TN去除，是人工濕地中主要的反硝化菌屬。
人工濕地中主要的除磷菌屬是不動桿菌和假單胞菌，A1組風車草的不動桿菌屬、假單胞菌屬(TP去除率最高)總豐度最高，B2組梭魚草(TP去除率最低)總豐度最低，表明不動桿菌屬、假單胞菌屬豐度增加有利于人工濕地TP去除，是人工濕地中主要的除磷菌屬。
三、結論
4組人工濕地對NH3-N，TN和TP均有較好的處理效果，各組NH3-N、TN和TP的總去除率分別為66.54%〜74.05%、61.55%〜73.61%、38.16%〜54.64%，脫氮除磷主要發生在潛流濕地，各組NH3-N、TN和TP的去除率分別為46.64%〜64.07%、44.31%〜62.78%和30.89%〜41.89%，去除率最高的為A1組風車草。
人工濕地中主要的反硝化細菌是異養反硝化菌，包括不動桿菌屬、假單胞菌屬、芽砲桿菌屬。人工濕地中主要的除磷細菌是不動桿菌屬、假單胞菌屬。
基質粒徑對NH3-N、TN和TP的處理效果有影響，5-20mm粒徑對NH3-N和TP處理效果均優于20〜40mm粒徑基質，原因是細粒徑由更高的DO含量和更大的比表面積，增加了不動桿菌屬、假單胞菌屬、芽砲桿菌屬的豐度，所以增加了脫氮除磷的效果。
風車草的NH3-N、TN和TP處理效果均優于梭魚草，可能是植物根部的分泌物不同，富集的微生物不同。風車草改善了基質微生物的多樣性和豐度。風車草組對不動桿菌屬、假單胞菌屬、芽砲桿菌屬這些氮磷功能微生物要明顯高于梭魚草組，所以風車草氮磷處理效果要優于梭魚草。（來源：重慶大學城市建設與環境工程學院；重慶大學三峽庫區環境與生態部重點實驗室）
