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

潛流人工濕地靜止運(yùn)行時植物響應(yīng)特征及污染物去除

來源：Chemical Engineering Journal,  494 (2024) 152930

《化學(xué)工程雜志》，第494卷 (2024年)，文章編號 152930

摘要內(nèi)容：

摘要研究了不同停床周期（2天、5天、9天）對潛流人工濕地（SSF CWs）中植物生理代謝、污染物凈化效果及微生物響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，停床操作誘導(dǎo)濕地植物形態(tài)適應(yīng)，顯著提高根冠比和比根長；2天停床（LD）增強(qiáng)根系泌氧（ROL），促進(jìn)濕地復(fù)氧，提高化學(xué)需氧量（COD）和總磷（TP）去除率；停床后根際微生物的無機(jī)磷溶解功能增強(qiáng)，而過長停床（>5天）抑制植物和微生物活性，降低凈化性能。植物通過調(diào)節(jié)根系性狀調(diào)控根際微生物，是制定停床策略的關(guān)鍵參考指標(biāo)。

研究目的：

確定潛流人工濕地（SSF CWs）的合理停床周期，闡明停床操作下植物生理響應(yīng)、根際微生物調(diào)控與污染物去除的關(guān)聯(lián)機(jī)制，為濕地運(yùn)維策略提供理論依據(jù)。

研究思路：

實(shí)驗(yàn)設(shè)計：設(shè)置兩種基質(zhì)深度（0.1 m淺床CW1、0.6 m深床CW2）的濕地反應(yīng)器，對比無停床（CK）與三種停床周期（2天LD、5天MD、9天HD）的運(yùn)行效果。

變量控制：模擬生活污水，監(jiān)測90天內(nèi)植物生理指標(biāo)、污染物去除率、根際微生物群落及功能基因變化。

機(jī)制分析：通過植物抗氧化系統(tǒng)、根系形態(tài)、微生物測序（16S rRNA）和功能預(yù)測（PICRUSt2），解析停床對濕地功能的驅(qū)動機(jī)制。

測量的數(shù)據(jù)及研究意義：

植物生理與形態(tài)數(shù)據(jù)（圖3、圖4）：

抗氧化指標(biāo)（MDA、T-AOC、REC、Proline）：反映植物應(yīng)激損傷程度，停床>5天（HD）顯著升高（圖3）。

根系性狀（根冠比、比根長、ROL、根系活性）：停床2天（LD）ROL最高，促進(jìn)復(fù)氧；停床9天（HD）比根長增加但活性下降（圖4c,d）。

意義：揭示植物通過調(diào)整根系構(gòu)型（如增加細(xì)根）適應(yīng)水分脅迫，ROL直接影響濕地氧化環(huán)境。

污染物去除數(shù)據(jù)（圖2）：

COD、TP、NH??-N、TN去除率：LD組COD和TP去除最優(yōu)（CW1中TP去除率73.5%），HD組顯著下降（圖2a,b）。

氮磷去除途徑貢獻(xiàn)：停床后植物吸收磷占比增加，微生物除磷在LD組提升7.53%（圖2c）。

意義：量化停床周期對凈化效率的影響，關(guān)聯(lián)ROL與COD/TP去除的正相關(guān)性（r=0.72–0.75）。

微生物群落與功能數(shù)據(jù)（圖5）：

微生物組成：停床后變形菌門（Proteobacteria）占比>69%，LD組黃桿菌（Flavobacterium）富集（圖5a,b）。

功能基因：LD組固氮基因（nifDHK）和磷溶解基因（gcd）上調(diào)；MD組硝化基因（amoABC）增強(qiáng)（圖5c-e）。

意義：闡明微生物功能響應(yīng)（如好氧硝化、磷活化）如何驅(qū)動污染物去除，驗(yàn)證植物-微生物互作機(jī)制。

環(huán)境參數(shù)（圖4e）：

出水溶解氧（DO）：LD組DO最高（平均3.1 mg/L），與ROL正相關(guān)。

意義：直接證明停床復(fù)氧效果，DO與NH??-N、TP去除率顯著正相關(guān)（r=0.59–0.60）。

結(jié)論：

停床2天（LD）為最優(yōu)策略，通過增強(qiáng)根系泌氧（ROL）提升COD/TP去除率，促進(jìn)根際好氧硝化和磷溶解功能。

植物通過調(diào)節(jié)根冠比、比根長等性狀適應(yīng)停床脅迫，根系性狀是制定停床周期的關(guān)鍵指標(biāo)。

停床>5天（HD）導(dǎo)致植物抗氧化系統(tǒng)崩潰（MDA、Proline激增）和微生物功能抑制，凈化性能惡化。

淺床濕地（CW1）因根系冗余效應(yīng)更適應(yīng)停床，深床（CW2）受水分脅迫影響更大。

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense微電極（型號MM336155）原位測定根系徑向氧損失（ROL）。該數(shù)據(jù)意義在于：

直接量化根系泌氧能力：ROL是濕地復(fù)氧的關(guān)鍵途徑，LD組ROL最高（圖4d），解釋其DO提升（圖4e）及COD/TP高效去除（圖2a,b）的機(jī)制。

揭示植物應(yīng)激響應(yīng)：ROL變化反映植物生理狀態(tài)——短期停床（LD）激活泌氧適應(yīng)水分脅迫，而長期停床（HD）因膜脂過氧化（MDA升高，圖3a）抑制ROL，導(dǎo)致功能衰退。

關(guān)聯(lián)微生物活性：高ROL促進(jìn)根際好氧菌（如Zoogloea）富集（圖5b），驅(qū)動有機(jī)降解（COD去除）和磷溶解（gcd基因表達(dá)，圖5d），為"植物-微生物"協(xié)同除污提供證據(jù)。