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近年来,环渤海三省一市实施了大规模围填海,造成滨海滩涂湿地面积大幅锐减,水鸟生存空间被严重压缩,在此停歇、繁殖的水鸟种群数量呈下降趋势[1-2]。为扭转这一局面,我国各级政府也在积极开展针对滨海水鸟的湿地重建工作[3-6]。水生生物群落重建是湿地重建工程的重要内容,同时也是水鸟群落恢复的关键影响要素。科学、准确地评估水生生物重建效果是调整和改进重建方案的重要手段,对湿地生态重建实践具有重要指导意义[7-8]。然而,目前针对围海造陆区水生生物重建效果的评估研究相对较少,缺乏对重建成效和趋势的直观了解与判断[9]。
2019—2020年,天津港保税区临港经济区规划建设了临港湿地二期工程,除设计表流湿地外,还增设了生境恢复单元,通过物理生境改造和水生生物群落快速重建等措施,不仅构建了水鸟栖息觅食空间,还重建了鱼类、底栖动物等鸟类藉以生存的食物资源[1,5]。该工程一经建成,就吸引了数十种水鸟,在一定程度上证明了该湿地的栖息适宜性[5]。为进一步评估湿地重建成效,本研究以临港湿地二期水生生物群落为研究对象,通过对比生态重建前后浮游生物、底栖动物和鱼类群落结构变化,分析水生生物群落演变特征,探讨重建措施的成效,以期为北方滨海人工湿地重建和水鸟保护提供借鉴。
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天津临港湿地二期工程坐落在天津滨海新区临港经济区西部、临港湿地一期南侧,占地约120 hm2,原是一片干涸的盐碱地,生物群落结构单一,食物链受损,生态系统十分脆弱[5]。为有效恢复湿地生态功能,维护生物多样性,临港湿地二期采用物理生境构造和水生生物快速重建相结合的方法(表1),构建了占地面积约50 hm2的生境恢复单元。在物理生境构造方面,通过微地形改造、水系连通等方法,构建了浅滩区、岛屿区、开放深水区等核心区,同时在核心区外围修建环流渠(外围区),引入人工湿地区净化水,在增加水体循环量的同时,还能减缓外界干扰[5]。在水生生物快速重建方面,针对临港湿地二期生态系统现状和所面临的压力,以及底栖动物和鱼类生物匮乏问题,以北大港湿地和临港湿地一期为参考湿地,通过湿地生物调查与生物多样性比选,确定重点恢复底栖动物和鱼类群落物种清单,采用生境改善、增殖放流等方式,恢复核心区乡土底栖动物群落和鱼类群落,修补和完善人工湿地受损食物链[1]。该项目于2020年6月完成物理生境构造,2020年10月开展水生生物投放工作,其中底栖动物和鱼类投放点位全部设置在核心区。
本研究以生境保育区为研究对象,在水生生物重建前(2020年9月)和重建后(2021年9月)分别开展了水生生物群落调查。2020年,设置核心区采样点位8个(C1~C8),外围区采样点位5个(G1~G5);2021年,在2020年采样点位的基础上,增设核心区中部监测点位3个(C9、C10、C11)。调查区域及点位布设见图1。其中:C1、C2、C5为鱼类增殖放流点位;C1、C2、C3、C5、C6、C7为底栖动物增殖放流点位。
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1)调查方法[1]。浮游动植物和大型底栖动物样品采集、保存、处理和分析参照《淡水浮游生物研究方法》《湖泊生态调查观测与分析》中的方法。底栖动物采用直接称量法,计算其湿生物量。鱼类样品用地笼和刺网采集,每次放网时间为1 h。根据《中国动物志 鱼类》《天津鱼类志》等对采集的鱼类进行物种鉴定。按渔具渔法对每次的渔获物分类计数和称量。
2)数据处理。利用Shannon-Wiener多样性指数(
H′ ),对临港湿地二期的浮游生物(底栖动物)作出评价。计算方法见式(1)。式中:
Ni 为第i种浮游生物(底栖动物)个体数量;N 为个体总数量。 -
重建前后核心区内外浮游植物群落结构变化见图2。2020年,核心区共监测到浮游植物44种,外围区共监测到浮游植物48种。在丰度组成中,2个区域均是蓝藻、绿藻和硅藻含量最高。项目实施1年后,浮游植物种类有了较大提升,核心区浮游植物种类数量增加了30种,外围区增加了7种。在丰度组成中,核心区硅藻占比最高(43.2%),其次是绿藻(25.7%)、蓝藻(18.9%)、裸藻(1.3%)、隐藻(4.1%)、甲藻(4.1%)和金藻(2.7%),其中金藻和裸藻首次出现。在外围区,硅藻、绿藻、蓝藻种类数量最多,共占到总量的87.3%。2021年,核心区水域浮游植物平均密度和平均生物量分别为280×105个·L−1和10.3 mg·L−1,较2020年分别提升了63.2%和234%;外围区水域浮游植物平均密度和平均生物量分别为222×105个·L−1和3.31 mg·L−1,较2020年分别下降了60.7%和70.4%;2个区域呈现了相反的变化趋势。与重建前相比,核心区和外围区浮游植物Shannon-Wiener多样性指数分别下降了23%和15.2%。
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重建前后核心区内外浮游动物群落结构变化见图3。2020年,核心区和外围区分别鉴定出浮游植物15种和17种。在种类组成方面,2个区域都是由轮虫类、桡足类和原生动物组成。项目实施1年后,2021核心区共监测到浮游动物17种,首次出现了枝角类物种;外围区共监测到浮游动物15种。在密度组成上,核心区和外围区均为原生动物占绝对优势,约占总量的95%以上。与2020年相比,核心区浮游动物密度增加了76.5%,外围区增加了24.7%。在生物量方面,核心区和外围区均为桡足类占绝对优势。与2020年相比,核心区浮游动物生物量减少了91.7%,外围区增加了15.7%。核心区生物量并未随着生物密度升高而增加,这从侧面反映出核心区水域浮游动物呈现轻质小型化趋势。与重建前相比,核心区和外围区浮游动物生物多样性指数分别增加了1.1%和270%。
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重建前后核心区内外底栖动物群落结构变化见图4。2020年,核心区和外围区分别鉴定出大型底栖动物4种和9种,平均密度分别为740个·m−2和349个·m−2,平均生物量分别为3.21 g·m−2和0.60 g·m−2,优势种类均为摇蚊幼虫。2021年共采集到底栖动物28种(核心区20种,外围区18种),主要由昆虫类(摇蚊幼虫)、寡毛类(水丝蚓、尾鳃蚓)、甲壳类(虾蟹)、腹足类(螺类)、瓣鳃类(蚬)组成。底栖动物数量和生物量主要组成仍然是摇蚊幼虫类。与重建前相比,生物密度变化幅度不大,但生物量变化显著,其中核心区生物量减少了52%,外围区生物量增加了73.3%。生态修复1年后,核心区水体中底栖动物生物多样性存在一定的好转趋势,Shannon-Wiener多样性指数较2020年增长近7倍,而外围区生物多样性变化不大。
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2020年,保育区刚刚通水不久,调查过程中未发现鱼类。2021年,核心区共采集到鱼类10种,除增殖放流存活品种(鲢、鳙、鲤、鲫、草鱼、团头鲂)外,还鉴定出4种野生杂鱼,其中,3种鉴定到种(翘嘴鲌、鮻、鲈),1种鉴定到属(鰕虎鱼属)。野生杂鱼的出现,可能是在湿地补水或夏汛水位涨时,湿地与外部河道的水交换所致。经统计,鲢鱼、鳙鱼质量约为300 g左右,鲤鱼、鲫鱼、团头鲂多为100~200 g,草鱼平均为700 g,较增殖放流鱼苗质量显著增加,鱼类群落恢复初见成效。虽然增殖放流点位均设置在核心区,但由于核心区和外围区存在水体交换,导致部分鱼类逃逸扩散进入了外围区。调查中发现,除团头鲂外,其他4种增殖放流种(鲢、鳙、鲤、鲫)均在外围区有检出。尽管如此,核心区与外围区鱼类群落结构不尽相同,核心区以底层分布鱼类占优势,鲫鱼的数量和质量最高,分别占渔获物总量的16.9%和21.3%;外围区中上层鱼类占优势,鳙的数量和质量最高,分别占渔获物总量的24.4%和33.0%。
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临港二期湿地保育区经过1年的生态重建,整体生态环境正在逐步改善,残缺的水生生态系统也处于逐步恢复过程中。鱼类处于水生态系统食物链的较高端,本研究中增殖的先锋物种有鲢、鳙、草鱼、鲫、鲤、梭鱼、泥鳅、团头鲂,项目实施1年后,除泥鳅、梭鱼种群未恢复外,其他增殖鱼类均长势良好。泥鳅是底层鱼类,喜密集扎堆在20~30 cm浅水区[10],而临港保育区泥鳅增殖放流点为深水区,并非泥鳅生长的理想环境,这可能间接造成了泥鳅苗种死亡。梭鱼未成活的原因可能是在进入淡水培育前未经过充分淡化[11]。
作为湿地主要生物类群之一,浮游动物群落结构主要由水体中的有效营养成分、物理因子及鱼类捕食作用等因素决定[12]。生态重建工程实施前后水体均来自人工湿地区净化水,其有效营养成分、物理因子相对稳定,故浮游动物的组成变化主要受制于鱼类增殖放流影响。浮游动物是幼鱼阶段和一些滤食性鱼类成鱼阶段的主要饵料[13]。在核心区鱼类群落恢复初期,水体中以鱼苗和幼稚鱼为主,鱼类摄食相对旺盛,较快的新陈代谢率可消耗大量的浮游动物[14]。因此,浮游动物在持续而强烈的滤食和捕食压力下,生物量急剧减少,并且呈现出低生物量和小个体种类占优势的特征[14-15]。与此相反,外围区未设置增殖放流点,鱼苗和幼稚鱼数量远不及核心区,对浮游动物捕食压力相对较小,浮游动物生物量总体变化不大。
鱼类、浮游动物通过直接或间接捕食及对水体扰动等对浮游植物群落结构产生影响。在核心区,一方面,鱼类对浮游动物的强烈捕食降低了浮游植物被牧食的压力,有可能使其生态位得以扩展[14];另一方面,鱼类的活动能使上下水层的营养盐分更加均匀,而且还能够通过搅动将底泥中的营养物质释放出来,增加水体中的营养物质,促进浮游植物的生长繁殖[16]。在上述因素的综合作用下,核心区浮游植物数量和生物量显著增加。然而,对于外围区,优势种类鲢鳙等鱼类的滤食性作用可能导致水体中浮游植物向小型化发展[17],加之植食性浮游动物的选择性摄食,进而引起了浮游植物生物量的降低。
作为渔业资源和迁徙水鸟的食物来源,底栖动物群落长期生活在底泥中,具有区域性强、迁移能力弱等特点,在食物网的能量流动和物质循环中起着重要作用[18]。随着物理生境的改善和先锋物种的直接投加,核心区和外围区的底栖动物生物数量、密度和物种多样性均呈显著增加趋势,恢复迹象比较明显。在类群组成上,底栖动物群落以轻质化、小型化摇蚊幼虫为主。摇蚊幼虫采用自然恢复方式,从侧面反映出核心区和外围区的物理生境的适宜性。前期投放的大量底栖动物死亡,仅少部分得以生存,恢复进程较为缓慢。另外值得关注的是,项目竣工1年后,核心区内底栖动物生物量显著下降,而外围区显著上升,这与浮游动物的变化规律相似。考虑底栖动物是鲤、鲫等底层鱼类的优良天然饵料[19],核心区以底层鱼类占优势,而外围区以中上层鱼类为主,故核心区底栖动物受到底层鱼类下行效应的影响更为显著。国内也有研究者通过无鱼围栏内外底栖动物对比发现,放养鱼类的存在会对底栖动物的现存量产生负面影响[19]。
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生态重建是个极其复杂的过程,因此,要达到更为成熟、稳定的状态,需要更长的时间和更多的调控措施。针对临港湿地二期水生生物群落恢复过程中存在的问题,提出如下建议。
1) 在鱼类重建方面,考虑到水生生物物种之间的相互关系,鱼苗投放阶段应避免或减少底层鱼类的投放,同时充分遵循鱼苗生态习性和适宜水域状况等因素,优化投放前处理、投放位置、投放方式等环节。在鱼类恢复初期,核心区应同步进行大型溞等常见且易于繁殖的浮游动物投放工作,以保障鱼类食物需求和生物群落结构稳定性。
2) 在底栖动物恢复方面,应更多地关注投放过程和投放后的长效管理,如优化人工投放的关键物种、个体大小、投放时间、投放方式等,辅助配合沉水植物恢复、底质改良等措施,以加快大型底栖动物群落恢复速度[18,20-21]。
3) 在综合评估结果、食物网和工程经验的基础上,有必要深入研究水生生物群落变化的影响机制,积极探索生态容量调控技术,以促进整体生态系统的良性发展。
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1) 临港湿地二期采用物理生境构造和水生生物快速重建相结合的方法,经过近1年的生态恢复,鱼类的种类由重建前的未检出增加到10种,底栖动物数量由重建前的11种提高到重建后的28种,生物多样性明显提高,残缺的水生生态系统处于逐步恢复过程中。
2) 受鱼类增殖放流影响,核心区水域浮游动物呈低生物量和小个体种类占优势的特征,生物量减少了91.7%;外围区由于未设置增殖放流点,浮游动物生物量总体变化不大。鱼类、浮游动物群落结构的波动导致了水体系统中浮游植物群落结构的快速响应和结构变化。
3) 在恢复期间,底栖动物类群组成以自然恢复的轻质化、小型化摇蚊幼虫为主,人工投放的大型底栖动物恢复进程相对缓慢。受底层鱼类下行效应的影响,核心区底栖动物生物量减少了52%。
4) 针对临港湿地二期仍然面临着浮游生物群落结构稳定性差、大型底栖动物物种恢复缓慢、鱼类群落结构不完善等问题,针对性地提出了鱼类和底栖动物重建优化调控建议,以促进北方滨海人工湿地的重建并加强对水鸟的保护。
北方滨海人工湿地水生生物群落重建效果评估——以天津临港湿地二期生态重建工程为例
Evaluation on the ecological reconstruction of aquatic communities in the coastal constructed wetland of northern China: A case study of Tianjin Lingang constructed wetland (phase II)
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摘要: 为准确评估滨海人工湿地生态重建成效,科学指导工程改进方案,以重建近1年的天津临港湿地二期生态重建工程为例,通过调查重建前(2020年)和重建后(2021年)湿地水生生物群落组成变化,评价湿地生物群落重建效果。结果表明:经过近1年的生态重建,鱼类群落和底栖动物群落均得到不同程度恢复;鱼类的种类由重建前的未检出增加到10种,除泥鳅、梭鱼等增殖先锋物种未得以恢复外,其他增殖鱼类均长势良好;随着物理生境改善和先锋物种的直接投加,底栖动物数量由重建前的11种提高到重建后的28种,生物多样性明显提高;在类群组成上,底栖动物群落以自然恢复的摇蚊幼虫为主,人工投放的大型底栖物种恢复进程相对缓慢;鱼类增殖放流加剧了对浮游动物的捕食压力,造成浮游动物生物量降低和个体减小,进而导致浮游植物群落的快速响应和结构变化。基于上述研究结果,提出了水生生物群落重建优化调控建议。本研究成果可为北方滨海人工湿地重建提供借鉴。Abstract: Tianjin Lingang Constructed Wetland (Phase II), a typical coastal constructed wetland in northern China, which has been reconstructed for nearly one year, was taken as a case study for the effect evaluation of aquatic community reconstruction that could serve as a guideline for further improvement of engineering scheme. The changes in aquatic community composition were investigated before (2020) and after (2021) the reconstruction. The results showed that the fish and Zoobenthos communities were restored to some extent. The number of fish species increased from 0 in 2020 to 10 in 2021. Most fishes exhibited impressive growth except that the pioneer species of Loach and Barracuda were not restored successfully. The number of Zoobenthos species increased from 11 to 28 and the biodiversity increased significantly with the improvement of physical habitat and the direct release of pioneer species. In addition. Chironomid larvae numerically dominated in the Zoobenthos community while the progress of artificially released macrobenthic species was relatively slow. The biomass of zooplankton exhibited an obvious downward trend and the species composition dominated by small individual species, probably a result of the fish proliferation at this site. Accordingly, the number and biomass of phytoplankton changed significantly due to the grazing pressure fluctuation. Based on the above research, some strategies for further regulation of aquatic community reconstruction were proposed. This work could provide a reference for wetland reconstruction in north China coastal area.
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Key words:
- constructed wetland /
- ecological reconstruction /
- aquatic community /
- effect evaluation
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人工湿地技术是一项通过模拟或强化生态系统的结构和功能,利用植物 、微生物及动物等的共同作用进行水污染治理和生态修复的水质净化工程技术,已被广泛应用于地表水的保护以及多种污废水,如生活污水、农业废水、工业废水、酸性矿山排水、城市和公路径流的脱氮处理[1-3]。其中,垂直流人工湿地,由于具有较好的有机物和氨氮去除能力[4-7],并具有占地面积小的优势,在实际工程中常用于处理含氮量较高的污水[8-9]。目前国家对于农村生活污水的排放标准主要考察COD、氨氮和总氮等指标,没有对硝态氮作出明确要求,所以在使用传统非饱和垂直流人工湿地时也是主要考虑强化其对氨氮的硝化能力,忽略了对其反硝化能力的提升,从而导致其反硝能力普遍较弱[10-13]。
微生物的硝化和反硝化作用是人工湿地脱氮的主要途径,但二者对氧的需求不同[14]。一般来说,参与硝化过程的功能微生物对氧的需求较高,大多数为好氧或兼性好氧微生物,而参与反硝化过程的功能微生物多数为兼性厌氧微生物。因此,当水中溶解氧(dissolved oxygen,DO)<1~2 mg·L−1时硝化作用会减小, DO>0.2 mg·L−1 反硝化作用受到抑制[15-16]。大多数传统垂直流人工湿地系统在运行过程中是处于水不饱和状态,大气复氧能力强,有利于硝化作用进行但不利于反硝化作用进行。因此,为了弥补传统垂直流人工湿地反硝化能力差的问题,本研究对传统垂直流人工湿地系统进行了结构改造,将系统构建成分内、外两层的多氧态垂直流人工湿地,采用内层底部连续进水,在内层形成水上行的饱和状态和厌氧环境,促进生活污水中的高浓度有机化合物进行厌氧降解,使污水中有机氮通过氨化反应转化为氨氮[17]。同时,在外层形成水下行的部分饱和状态,使系统(尤其是系统外层)中DO的分布呈持续的动态变化状态(多氧态),为硝化和反硝化过程的进行提供适宜的DO环境,在系统外层上部的非饱和区利用硝化反应将氨氮转化为硝态氮,在系统外层下部的饱和区利用反硝化反应将硝态氮转化为氮气,从而实现在同一湿地系统中将污水中的有机氮经氨化降解、再硝化、反硝化彻底去除的目的。此外,本研究对该湿地系统在不同水饱和比、不同水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)条件下的污染物去除效率、基质中微生物群落结构的演变规律以及氮循环功能基因的分布特征进行了分析和比较,可为多氧态垂直流人工湿地系统的推广和应用提供参考。
1. 材料和方法
1.1 实验装置
本实验采用自行设计的多氧态垂直流人工湿地系统,实验装置设置在桂林理工大学污水处理站内。系统由配水箱、蠕动泵和垂直流人工湿地3部分组成如图1所示。垂直流人工湿地部分由内外两层的PVC圆柱体建成,内层直径为16 cm,外层直径为30 cm;内层高度为0.7 m,填充高度为0.6 m;外层高度0.8 m,填充高度为0.7 m,内外层填充体积比为1:3。进水通过蠕动泵和布水装置均匀的从内层底部自下而上的流过内层床体,出水由与外层底部的出水口相连的软管排出。根据虹吸原理,通过调节出水软管高度来控制外层床体的饱和区水位,以外层饱和区水位高度与总高度比值来表示系统外层水饱和比。
湿地系统的内、外层分别采用粒径8~10 mm的石英砂颗粒和粒径5~8 mm的焦炭颗粒进行填充。内外层主体填料的上下两端各填充厚度为5 cm的鹅卵石,作为进水区和集水区,以截留悬浮物防止堵塞。内外层的填料层上种植的植物为美人蕉。填料中在内层距底部20 cm(a点)和40 cm(b点)处,以及外层距底部25 cm(c点)和55 cm(d点)处分别埋有直径8 mm的4根采样管,便于水样采集。
1.2 实验设计
实验进水取自桂林理工大学污水站的生活污水,污水中COD、NH4+-N、NO3−-N的平均质量浓度分别为(105.60±17.36)、(51.54±14.35)、(0.78±0.45) mg·L−1。实验正式开始前,系统先在HRT为48 h的条件下连续进水1个月进行预培养,使系统运行达到稳定。
为确保系统外层水位不会影响最佳HRT的确定,正式实验以系统外层水饱和比(既外层水位高度与外层填料高度的比值)为0的条件作为对照,比较HRT 分别为6、12、24、48 h时对污染物(COD和NH4+-N)的净化效果,来确定系统污染物去除的最佳HRT。再在最佳HRT条件下,比较系统外层水饱和比分别为1、3∶4、1∶2、1∶3、0时,对污染物的去除效果,确定最优的系统外层水饱和比;同时,分析该水饱和比条件下湿地系统内部的饱和区和非饱和区DO、ORP分布特征,确定系统的多氧态形成情况。最后,在最佳外层水饱和比和最佳HRT条件下,控制进水C/N为7:1,测定系统对高负荷生活污水的污染物净化效率,分析比较系统填料微生物群落结构、以及反硝化功能基因的丰度变化情况,分析其促进污染物去除的机理。
1.3 样品采集与分析
1)水样采集与分析。水样采集位点如图1所示为内层20 cm(a点)、内层40 cm(b点)、内部顶层(i70 cm)、外层25 cm(c点)和外层55 cm(d点),分别标记为内层20、内层40、内层70、外层25、外层55。内、外层填料中不同高度的水样使用洗耳球通过预埋的采样管吸取,i70 cm的水样采用50 mL注射器直接抽取,出水水样直接从排水管口直接收集。每个点水样采集至少150 mL。针对特定条件运行周期,每2 d采集1次,水样采集后立即带回实验室进行分析。分析的指标包括:化学需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3−-N)。测试方法分别为:重铬酸钾法(GB11914-89),纳氏试剂分光光度法(GB7479-87)和紫外分光光度法(HJ-T346-2007)。水样采集的同时,以便携式YSI多参数水质分析仪在采样现场测定各采样点的DO、氧化还原电位(oxidation-reduction potential,ORP)。
2)微生物样品采集与分析。实验末期,控制系统外层水饱和比为1:2,进水C/N为7:1,连续运行两周。期间除了水样采集,在实验结束后,再在如图1所示的a点、b点、c点和d点4个水样采集点中,各取3个基质样品,将其均匀混合后取10 g作为该采样点的基质微生物样品,其中对b点和d点处样品进行氮循环功能基因定量PCR分析。样品采集后,立即送样至北京奥维森生物科技有限公司进行DNA提取,微生物多样性检测和氮循环功能基因定量PCR分析。其中,DNA 提取方法参照 DNA Kit (Omega Bio-tek, Norcross, GA, U.S.)试剂盒说明书。微生物多样性检测选取细菌16S rDNA V3~V4区,利用 Illumina Miseq PE300高通量测序平台测序。氮循环功能基因定量PCR分析选择氨氧化作用的三种菌(AOA,AOB与厌氧氨氧化 (Anammox) 菌和反硝化菌)的功能基因进行研究。定性和定量PCR时,AOA与AOB的扩增都采用功能基因氨单加氧酶amoA的引物,Anammox菌的扩增采用Anammox 16s-RNA;硝化检测功能基因nxrA、nxrB;反硝化菌检测功能基因narG、nirS和nirK。所有引物的合成和数据分析处理均由北京奥维森生物科技有限公司完成。
2. 结果与讨论
2.1 多氧态湿地系统的最佳HRT
通过改变可伸缩U型管的出水高度,控制系统外层水饱和比为0,比较不同HRT条件下系统对污染物COD和NH4+-N的净化效果,此阶段进水COD为140.62~219.53 mg·L−1,进水NH4+-N在32.36~65.65 mg·L−1。由图2可以看到,随着HRT从6 h增加到48 h,湿地系统的COD和NH4+-N的去除率逐渐从76.03%和88.28%(6 h)增加到95.76%和98.38%(24 h),并在48 h时达到96.64%和99.04%。
在HRT为6 h和12 h时,系统对污染物的去除率较低,这可能在于停留时间较短,系统的水力冲刷大,污水在系统填料间的停留时间较短,不能充分被微生物转化、降解。而当HRT增大为24 h和48 h时,系统对污染物的去除率逐渐升高并达到最佳状态,对COD和NH4+-N的去除率可达到90%以上,可见,HRT的变化可显著影响人工湿地的污染物净化效果。分别核算HRT为24 h和48 h时的单位面积氨氮负荷去除量可得,24 h时为8.22 g·(m2·d)−1,48 h时为5.11 g·(m2·d)−1,则系统在24 h时对氨氮的去除效能最好,同时从经济性上考虑,过长的HRT可能会造成系统处理能力的浪费。因此系统HRT采用24 h时长,既可以保证污染物的最好净化效果,又能充分发挥系统的处理能力,因此后续的实验均在HRT为24 h条件下进行。
2.2 多氧态湿地系统的构建
1)多氧态湿地系统的最优水饱和比。在HRT为 24 h条件下,通过改变可伸缩U型管的出水高度,控制系统外层水饱和比分别为1、3:4、1:2、1:3、0,比较系统在不同水饱和比条件下对COD和NH4+-N的去除效果,结果如图3(a)和图3(b)所示。
方差分析结果表明,系统外层水饱和比对COD和NH4+-N的去除均有显著性影响(P<0.05)。水饱和比为0时COD的去除效率最高,约为96%;水饱和比为1∶2、1∶3和0时,NH4+-N的去除效率均在98%以上,故分别核算系统外层水饱和比为1、3∶4、1∶2、1∶3和0时的单位面积氨氮负荷去除量为6.78、18.76、21.30、16.71和8.22 g·(m2·d)−1,可得本系统在外层水饱和比为1∶2时对氨氮的去除效能最好。总的来看,系统外层水饱和比为1∶2时,系统对COD和NH4+-N可以达到相对较好的净化效果。
2)多氧态湿地系统的DO及ORP分布特征。DO是影响污水有机物去除效率的重要因素,ORP则可综合DO、有机物质及微生物活性等指标来反映系统中的氧化还原状态[18]。当外层水饱和比为1∶2时,湿地系统DO及ORP 分布特征如图4(a)所示。系统内层饱和区的DO普遍较低(0.2~0.7 mg·L−1),基本处于厌氧状态,ORP呈由内层底部(20 cm)的−143.04 mV向顶部(70 cm) 提升至−124.1 mV,呈逐渐升高的趋势。系统外层分为水饱和区和非饱和区,但二者的DO和ORP均显著高于内层。其中,外层的DO由底部向顶部同样呈现由低向高的逐渐变化,且表现出好氧、缺氧和厌氧区的区分,其中c点处DO值为0.7~1.7 mg·L−1,处于缺氧状态;d点DO值在2.1~2.5 mg·L−1,处于好氧状态。同时,外层中的ORP随着深度的增加呈下降趋势,−49.10 mV(d点)降到−68.80 mV(c点)。以上结果表明,本研究采用的双层垂直流人工湿地设计,可通过控制系统外层水饱和比的高低,调节系统的饱和区和非饱和区的占比,促使系统尤其是系统外层的DO和ORP分布呈持续的动态变化状态,实现系统多氧态状态的构建。
垂直流人工湿地中有机物的去除主要是通过微生物的氧化,对NH4+-N的净化主要是通过微生物的硝化作用。由图3可见,当外层的水饱和比为0时,有机物的去除效率最高;系统外层水饱和比≤1:2时,NH4+-N的去除效率即可达到98%以上。由图4(b)可以看出,i70 cm处的NH4+-N质量浓度高于进水。这可能是因为系统内层发生的厌氧发酵使得污水中的有机氮在微生物作用下转化生成NH4+-N,同时部分有机物也被降解去除,使COD的去除率接近70%,之后随着外层非饱和区利用大气的复氧作用使得水中DO含量上升,为有机物的进一步氧化分解及NH4+-N的硝化去除创造了条件,表现为出水中NO3−-N质量浓度上升,而COD和NH4+-N质量浓度持续下降。
3)多氧态湿地系统中氨氮的转化。传统垂直流人工湿地中,部分饱和的垂直流人工湿地的反硝化效果明显高于不饱和垂直流人工湿地[19]。因此,在外层水饱和比分别为0和1:2的条件下,对比系统进、出水的NH4+-N和NO3−-N的浓度得到如图5所示结果。可以看出,系统外层水饱和比为0时,进水中的NH4+-N几乎全部转化成NO3−-N,且出水中NH4+-N和NO3−-N的含量与进水中的基本相当,说明此条件下,进水中NH4+-N质量浓度的降低主要是依靠硝化作用,但产生的NO3−-N 在系统中没有进一步的转化。这可能由于此条件下系统由外层底部直接出水,非饱和区占比大,所以NH4+-N的硝化作用彻底,绝大部分均转化成了NO3−-N 。但由于决定NO3−-N 去除的反硝化阶段缺失,因此系统总的脱氮效率较低。而当系统外层的水饱和比为1∶2时,外层形成了一定的饱和区,使其底部呈现缺氧状态,而顶部仍然是好氧状态,整个系统形成厌氧-好氧-缺氧的多氧态,进水中的NH4+-N可以通过硝化作用去除,其生成的NO3−-N 也能够在外层下部饱和区的缺氧环境中发生反硝化作用生成N2去除,所以该条件下出水的NO3−-N 含量更低,同时NH4+-N+NO3−-N的含量也显著下降,仅为系统外层水饱和比为0时的57%,可大大提高系统总的脱氮效率。因此,与传统非饱和垂直流湿地相比,多氧态湿地系统的不仅保留了其原本的硝化能力,还提升了一定的反硝化能力[19–20]。
2.3 多氧态湿地系统对污染物的净化效率
控制湿地系统外层水饱和比为1:2,进水C/N为7:1(COD为350.23~381.46 mg·L−1、NH4+-N为50.23~60.57 mg·L−1),测定系统对COD和NH4+-N的较高有机负荷污水的净化效率。如图6所示,多氧态湿地系统对污水中COD的去除率可达91.92%,而NH4+-N去除率也可达到90.53%。说明本系统具有良好的有机物降解能力,能够去除较高负荷的有机污染物,同时对于高氨氮污水也有较高的处理能力。
2.4 氮循环功能基因在多氧态湿地系统的分布特征
以特定功能基因或特定的16S-RNA片段作为分子标记,采用定量 PCR(Real-time PCR)来测定特定基因片段的相对数量,可以对样品中特定功能微生物数量进行定量分析[21]。本研究选择的分子标记:氨单加氧酶amoA、亚硝酸盐氧化酶nxrA和nxrB、硝酸还原酶narG、亚硝酸还原酶nirS和nirK 是参与自然界氮循环过程的关键催化酶,其分别在氨的好氧氧化、亚硝酸盐氧化、亚硝酸盐还原、硝酸盐还原过程中起到重要作用;Anammox菌介导的厌氧氨氧化过程,可直接在缺氧条件下以NH4+为电子供体,亚硝酸盐为电子受体,产生N2。
由图7(a)可知,多氧态湿地系统amoA功能基因主要来源于AOA,且外层中amoA功能基因的数量显著高于内层,说明系统的好氧氨氧化作用主要发生外层,且主要由好氧氨氧化细菌驱动[22–23]。与之类似, 通过图7(b)可看出,催化亚硝酸盐氧化的重要功能基因nxr在外层中的含量比内层高,也说明系统外层中的硝化作用更强[24]。因此,由图7(a)和图7(b)可以表明外层营造的好氧环境为硝化细菌的生存和繁殖提供了适宜的环境。
此外,系统中还同时存在一定量的Anammox菌,其中内层石英砂的丰度为2.91×109 拷贝数·g−1,外层焦炭中的丰度为7.86×108 拷贝数·g−1,与AOA的数量基本持平,但主要分布在系统内层饱和区,这与Anammox菌对氧的需求适应。Anammox菌能够在厌氧/缺氧的条件下,直接以NH4+为电子供体,NO2−为电子受体,产生N2[25]。虽然这一过程的存在,可能使亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的因为底物竞争而生长受抑,使nxrA、nxrB基因的数量较低(图7(b)),但Anammox过程的存在,可以使NH4+直接转化为N2而去除,对提高系统总氮的去除效率是非常有利的。
narG编码的硝酸盐还原酶参与催化反硝化过程的第1步,促使硝酸盐向亚硝酸盐的转化,而nirK和nirS则是编码反硝化过程第2步中催化亚硝酸盐还原酶的关键功能基因[26–27]。由图7(c)和(d)可知,narG、nirK和nirS在系统内、外层中均有分布,但在系统内层中的含量均比外层中的少。这可能与外层中的NO3−-N含量远大于内层有关,也表明系统多氧态的形成,可以促使反硝化作用在外层进行,提升系统总的氮去除能力,这也与前期的研究结果(图5)相符合。
总的来看,本湿地系统构建形成的“多氧态”状态,可以在保持传统垂直流人工湿地系统水流特点和优势的同时,为对氧具有不同需求的氮循环功能微生物提供适宜的微生态环境,强化其生物转化作用(包括硝化、反硝化以及Anammox作用),从而提高系统的氮去除效率。
2.5 多氧态湿地系统的微生物结构特征
1)门水平微生物群落结构。对多氧态湿地系统内外层共4个基质样品进行微生物多样性检测分析,并对所有OTU系列进行物种注释,共得到60多种不同的细菌门。如图8所示,微生物数量最多的前3个门依次为Proteobacteria(变形菌门) 、Chloroflexi(绿弯菌门)和Bacteroidetes(拟杆菌门),这3种菌门也被广泛报道存在于水处理反应器中[28-30]。
从门水平看,Proteobacteria在4个样本中均为相对丰度最高的优势种,这与ANSOLA等[31]在人工湿地中的研究结果一致。Proteobacteria属于革兰氏阴性细菌,其物种和遗传多样性极为丰富,是COD去除和脱氮过程的重要贡献者。本研究结果表明,Proteobacteria在系统外层所占的比例(平均55.6%)比内层的(平均25.8%)高(图8),说明湿地系统多氧态的构建可以促使Proteobacteria大量繁殖,从而可能提升系统的污染物去除能力增加。
此外, 4个样本中Chloroflexi和Bacteroidetes的相对丰度仅次于Proteobacteria,但二者在系统内层所占的比例(平均21.9%)比外层的(平均6.6%)大(图8),这与Chloroflexi和Bacteroidetes均属于兼性厌氧微生物,对氧的需求较低有关。已有研究表明这两类细菌都是有机物的主要降解者,能够降解复杂的有机物[32]。因此,Chloroflexi和Bacteroidetes在内层的广泛存在,可充分发挥其对复杂有机物的降解能力,有利于系统对有机污染物的去除。同时,多氧态湿地系统中丰度较大的还有Caldiserica、Actinobacteria、Firmicutes、Acidobacteria等,他们在有机物的矿化和氮的固定等方面发挥着重要作用[33]。
2)属水平微生物群落结构。以属为单位对多氧态湿地系统的微生物群落结构进行分析得到图9。系统内层的优势菌属为Caldisericum、Longilinea、Smithella、Leptolinea、Syntrophorhabdus等厌氧菌,他们均与有机物的代谢有关,其中,Longilinea和Leptolinea对多糖具有良好的降解能力[34],Caldisericum和Syntrophorhabdus是工业废水生物处理系统中常见菌种,有助于有机物的降解,并且Syntrophorhabdus是厌氧生态系统中的丰富细菌主要降解芳香族化合物[35]。他们在样品总丰度中的占比分别为37.74%(内层20)、34.70%(内层40)、1.09%(外层25)、0.14%(外层55),且在内层的相对丰度远大于在外层的。可以推测,系统的有机物降解过程主要在系统内层发生。
系统的外层优势菌属为Rhodanobacter、Nitrospira等。其中,Rhodanobacter属变形菌门γ-变形菌纲的黄色单胞菌科[36]。该菌在好氧的土壤表层发现并分离,具有反硝化能力[37-40],它在多氧态湿地系统的外层中大量出现,可促进反硝化反应的进行。而外层的另一优势菌Nitrospira是亚硝酸盐氧化细菌的主要菌属,主要分布在外层上部的好氧区域,丰度达2.94%。作为硝化过程中的关键菌属,它可将水体中的亚硝酸盐氧化成硝酸盐[41],其在系统外层的优势存在,也很好的解释了为何多氧态湿地系统的外层具有较强的硝化能力。
3)多氧态湿地系统促进氮去除的机理。综上所述,本实验所构建的多氧态垂直流人工湿地,可通过调节外层水饱和比,在保证系统有机物去除效率的同时,提高系统总的脱氮效率,这与其特殊的分层结构有关。首先,多氧态垂直流人工湿地分为内外两层,当外层不饱和比为0时,其内层与传统的多氧态垂直流人工湿地相似,出水中氮主要以NO3−-N为主,NH4+-N 和 NO3−-N的含量与进水相比,降低仅为5%左右。而当外层不饱和比大于0时,系统的外层被由下到上被分成了饱和区和非饱和区,这与内层在完全饱和状态下形成的单一缺氧甚至是厌氧的环境相比,外层由底部向顶部DO和ORP均逐渐上升,形成同时兼备厌氧-缺氧-好氧环境的结构特点, 这使得系统外层中参与反硝化和硝化过程的微生物如Rhodanobacter和Nitrospira等均得到优势生长(图9),系统的外层硝化和反硝化功能也比内层得到强化(图7),从而使系统的氮去除能力得到提升(图5)。
3. 结论
1)通过调节系统外层水饱和比,多氧态湿地系统的内层呈饱和状态,DO比较低,属于缺氧厌氧区;外层上部非饱和区为好氧区,底部饱和区为厌氧/缺氧区,能够形成由厌(缺)氧到好氧的氧化还原分区。
2)多氧态湿地系统对NH4+-N和COD均有较好的去除效果,而当外层水饱和比为1:2,HRT为24 h时,多氧态湿地系统对污染物的净化效果最好。
3)多氧态湿地系统氮循环功能微生物的数量在外层中的分布高于内层,对系统的硝化和反硝化功能均有促进作用,可提升系统总的氮去除效率。
4)多氧态湿地系统内、外层的微生物群落结构组成具有显著差异。在门水平上Proteobacteria、Chloroflexi和Bacteroidetes的相对丰度较大,其中Proteobacteria在系统外层的丰度较大,而Chloroflexi和Bacteroidetes在内层丰度较大。属水平上,系统外层与内层的优势菌属也不同,外层的优势菌属为Rhodanobacter,属于反硝化菌;内层的优势菌属为Caldisericum、Longilinea等厌氧菌,有助于有机物的降解。
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表 1 临港湿地二期生态重建工程
Table 1. Ecological reconstruction projects of Lingang constructed wetland (phase II)
类别 重建项目 重建具体措施 物理生境构造 微地形改造 营建4个面积共计22×104 m2的浅滩,水位控制在15 cm以下;在浅滩内部构建10个集中分布的不同形态的小型岛屿;浅滩外围深挖沟渠,形成深水区,提高保育区内部连通性和整合度 水系连通 在湿地保育区核心区外围建设环流渠(外围区),引入人工湿地区净化水,形成环流,对湿地保育区核心区进行生态补水 水生生物重建 底栖动物重建 摇蚊幼虫类以自然恢复为主,虾蟹类、寡毛类和单壳类以人工投放为主,在核心区设置放流点位6处,每处投放总量的1/6,累计投放量280×104个 鱼类重建 鱼类群落重建先锋种包括鲢、鳙、草鱼、团头鲂、鲫、泥鳅、梭鱼、鲤鱼,在核心区设置鱼类放流点3处,每处投放总量的1/3,累计投放34 000尾 -
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