羅昕怡，葉延超，石玉翠，游少鴻

（桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林541004）

人工濕地具有去除效果穩(wěn)定、成本低、易于操作和維護(hù)等特點(diǎn)，被用于處理污染廢水已有幾十年。在人工濕地中，植物、基質(zhì)和微生物協(xié)同作用，通過(guò)植物的吸收富集、基質(zhì)的吸附和過(guò)濾以及微生物分解等過(guò)程實(shí)現(xiàn)廢水中氮、磷、有機(jī)物等污染物的去除[1-3]。此外，溶解氧濃度的差異和氧化還原梯度的變化使微生物形成不同的生態(tài)位，這些微生物可以進(jìn)行不同的呼吸或發(fā)酵過(guò)程，從而顯示出廣泛的污染物去除能力[4-5]。但人工濕地長(zhǎng)期運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)有機(jī)碳源不足、堵塞以及填料吸附飽和等問(wèn)題。

電解法是通過(guò)外加電場(chǎng)，在陰陽(yáng)兩極發(fā)生氧化還原、絮凝、沉淀等反應(yīng)促進(jìn)系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果，其具有裝置體積小、電化學(xué)反應(yīng)可控性強(qiáng)、操作維修簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)境友好型處理技術(shù)。電解法已廣泛用于處理染料廢水、城市垃圾滲濾液、皮革廢水等。電解對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和微生物活性有顯著影響，適宜的電解強(qiáng)度有利于刺激植物生長(zhǎng)發(fā)育、提高酶活性，特別是在調(diào)節(jié)抗氧化防御系統(tǒng)的活性方面，可以增強(qiáng)植物在逆境中的適應(yīng)能力[6-8]；而生物反應(yīng)器中的微生物群落結(jié)構(gòu)可以隨著電解強(qiáng)度的改變而改變，并且電解對(duì)微生物的活化作用可以強(qiáng)化生物轉(zhuǎn)化能力，加快污染物的遷移和轉(zhuǎn)化，提高生物反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效率[9-11]。此外，電解作用能夠改變污染物的化學(xué)形態(tài)，通過(guò)氧化、還原、絮凝等作用去除污染物。人工濕地與電解技術(shù)耦合，以提高濕地系統(tǒng)去除污染物的凈化效果。GAO等[12]構(gòu)建新型電解一體化水平潛流人工濕地系統(tǒng)，用于強(qiáng)化氮磷污染水體的去除。當(dāng)電解電流強(qiáng)度穩(wěn)定在0.07 mA·cm-2，水力停留時(shí)間在2～12 h時(shí)，硝酸鹽去除率由20%提高到84%；當(dāng)水力停留時(shí)間大于4 h時(shí)，磷的去除率保持在90%以上。王皓等[13]構(gòu)建電解強(qiáng)化-三級(jí)串聯(lián)潛流人工濕地，研究結(jié)果表明當(dāng)水力負(fù)荷為0.30 m3·m-2·d-1時(shí)，電解系統(tǒng)對(duì)TN、NH+4-N和TP的去除率分別為92.99%±4.51%、95.22%±3.04%和93.13%±5.22%，填料的吸附和沉淀作用對(duì)磷的去除貢獻(xiàn)率在70%以上，能夠高效地去除農(nóng)村生活污水中的氮磷物質(zhì)。

本研究將電化學(xué)技術(shù)與人工濕地系統(tǒng)耦合，從電解對(duì)植物生理特征的響應(yīng)、不同水力停留時(shí)間下污染物的去除效果以及微生物活性和多樣性變化等方面綜合探究合適的外加電壓和運(yùn)行條件，以強(qiáng)化人工濕地系統(tǒng)去除污染物的性能。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行

試驗(yàn)裝置如圖1所示，本模型反應(yīng)器采用聚氯乙烯管材制作而成，用于模擬垂直流人工濕地，直徑0.3 m、高1 m，容器有效容積30 L，平均孔隙率30%。在反應(yīng)器底部填充15 cm厚的碎石（粒徑3～4 cm），中、上層填充75 cm厚的焦炭（粒徑3～4 mm）。裝置內(nèi)部緊靠桶壁兩側(cè)設(shè)置兩根石墨電極棒（直徑3 cm、長(zhǎng)120 cm）用作陰、陽(yáng)電極，間距為24 cm。電極用銅線分別與直流電源的正極和負(fù)極觸點(diǎn)相連，采用邁勝KL305D型直流穩(wěn)壓電源。試驗(yàn)選擇李氏禾作為濕地植物，植物購(gòu)買于桂林當(dāng)?shù)厝斯し庇?，用霍格蘭氏營(yíng)養(yǎng)液水培5 d后，取相似高度（約60 cm）和鮮質(zhì)量（約500 g）的李氏禾種植于陰、陽(yáng)電極之間。反應(yīng)器從底部進(jìn)水，廢水儲(chǔ)存于200 L的塑料桶中，在單通道蠕動(dòng)泵的作用下依次傳輸進(jìn)入各個(gè)人工濕地系統(tǒng)中。

李氏禾人工濕地系統(tǒng)試驗(yàn)裝置分為4組，每組3個(gè)平行，分別為種植植物施加電壓0 V的對(duì)照組（CW-0）和種植植物施加電壓分別為0.5 V（CW-0.5）、1 V（CW-1）、2 V（CW-2）的試驗(yàn)組。所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備均放置在桂林理工大學(xué)污水處理站大棚內(nèi)，以3 d為一個(gè)周期，每周期測(cè)定一次水質(zhì)指標(biāo)，每?jī)蓚€(gè)周期測(cè)定一次植物指標(biāo)，環(huán)境溫度保持在28～33℃。此外，考慮到不同水力停留時(shí)間對(duì)人工濕地去除COD、氮和磷效率的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)水力停留時(shí)間（0.5、2、3 d），每個(gè)水力停留時(shí)間重復(fù)3次試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)采用合成生活廢水，用自來(lái)水進(jìn)行配制，試劑用量如表1所示。合成生活廢水中COD平均濃度為205.4 mg·L-1，總氮平均濃度為45 mg·L-1，NH+4-N

平均濃度為43.9 mg·L-1，總磷濃度為3.3 mg·L-1。

表1合成生活污水組成成分Table 1 Composition of synthetic domestic sewage

1.3 樣本分析

使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀原位測(cè)定出水中的pH、溶解氧、電導(dǎo)率和氧化還原電位。使用重鉻酸鉀微波消解法測(cè)定COD，納氏試劑分光光度法測(cè)定NH+4-N，鉬酸銨分光光度法測(cè)定TP，堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定TN。葉綠素含量采用95%乙醇提取法測(cè)定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定?？扇苄缘鞍住⑦^(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、微生物三磷酸腺苷（ATP）、乳酸脫氫酶（LDH）以及微生物蛋白含量使用試劑盒進(jìn)行測(cè)定，試劑盒購(gòu)買于上海紀(jì)寧實(shí)業(yè)生物科技有限公司。利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)微生物群落多樣性進(jìn)行分析，由生工生物工程有限公司進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用Origin 2019b對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和繪圖，使用SPSS23進(jìn)行單因素方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 外加電壓下李氏禾的生理響應(yīng)

2.1.1 外加電壓對(duì)李氏禾葉綠素含量的影響

葉綠素是光合作用的關(guān)鍵因素，在光合作用過(guò)程中起到吸收和轉(zhuǎn)化能量的作用，是直接反映植物受環(huán)境脅迫程度的敏感性生理指標(biāo)[14]。如圖2所示，在通電條件下，李氏禾葉片葉綠素的含量隨時(shí)間延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，這與葛依立等[15]的研究結(jié)果一致。在電壓脅迫18 d內(nèi)，葉綠素含量下降緩慢，推測(cè)是短時(shí)間內(nèi)電壓脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)影響較小。在CW-0.5和CW-1處理下葉片葉綠素含量無(wú)顯著差異（P＞0.05），均高于對(duì)照組，表明適宜電壓能夠引起細(xì)胞增殖、縮短有絲分裂周期，從而促進(jìn)植物合成色素，加快植物生長(zhǎng)。在CW-2處理下第36 d的葉綠素含量是對(duì)照組的61%，存在顯著差異（P＜0.05），表明2 V電壓對(duì)植物產(chǎn)生顯著影響，這可能是因?yàn)槿~綠體中鎂離子濃度下降所造成。鎂不僅是葉綠體的中心原子，還是一些代謝途徑關(guān)鍵酶的輔因子，鎂離子濃度不足時(shí)會(huì)破壞葉綠體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，抑制葉綠體的合成和葉綠素合成酶的活性，進(jìn)而影響光合作用的進(jìn)行[16]。

2.1.2 外加電壓對(duì)李氏禾可溶性蛋白濃度和MDA含量的影響

作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可溶性蛋白參與了植物體內(nèi)多數(shù)的代謝活動(dòng)，其濃度在植物受到滲透脅迫時(shí)迅速增加，以保持細(xì)胞膜的水分平衡，減少脅迫帶來(lái)的傷害[17-18]。如圖3A所示，可溶性蛋白濃度隨時(shí)間的延長(zhǎng)先逐漸升高而后趨于穩(wěn)定；試驗(yàn)第36 d，CW-2處理與CW-0、CW-0.5、CW-1處理存在顯著差異（P＜0.05）。結(jié)果表明，李氏禾通過(guò)提高可溶性蛋白的濃度以適應(yīng)電壓脅迫環(huán)境。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的濃度在一定程度上反映了植物的抗逆性，濃度越高表示抗逆性越強(qiáng)。

電壓脅迫下，O-2、OH-和H2O2的含量增加，造成植物細(xì)胞內(nèi)的活性氧失衡，從而破壞脂類物質(zhì)，加劇膜脂過(guò)氧化，影響膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[19]。MDA是常用的膜脂過(guò)氧化指標(biāo)，其含量的變化可反應(yīng)逆境脅迫對(duì)植物細(xì)胞膜的破壞程度[20]。如圖3B所示，MDA的含量隨時(shí)間延長(zhǎng)持續(xù)增加。CW-2處理下，MDA含量始終高于對(duì)照組和其他試驗(yàn)組，36 d時(shí)MDA含量是對(duì)照組的1.2倍。結(jié)果表明，2 V電壓下植物體內(nèi)活性氧自由基大量增加，但對(duì)自由基的消除能力較差，從而造成嚴(yán)重的膜脂過(guò)氧化損傷。

2.1.3 外加電壓對(duì)李氏禾抗氧化酶活力的影響

抗氧化酶是清除活性氧的關(guān)鍵因素，包括SOD、POD和CAT?？寡趸缚梢杂行б种苹钚匝踝杂苫姆e累，阻止細(xì)胞膜脂過(guò)氧化，與植物的生長(zhǎng)發(fā)育和抗逆性密切相關(guān)。如圖4A和圖4B所示，李氏禾葉片內(nèi)SOD和POD活力隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。處理12 d時(shí)，試驗(yàn)組SOD活性無(wú)顯著差異；處理36 d時(shí)，CW-2的SOD活力顯著高于對(duì)照組和其他試驗(yàn)組（P＜0.05）。POD活力在12 d時(shí)各試驗(yàn)組無(wú)顯著差異，18 d時(shí)增長(zhǎng)速度加快，36 d時(shí)CW-2顯著高于CW-0、CW-0.5和CW-1（P＜0.05）。結(jié)果表明，李氏禾啟動(dòng)抗氧化防御系統(tǒng)，通過(guò)增加SOD、POD的活力阻止活性氧毒害細(xì)胞，提高植物體在電壓脅迫下的耐受能力。如圖4C所示，CAT活力隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸下降，與SOD和POD呈相反趨勢(shì)，其原因可能是植物體消耗抗氧化劑所造成[21]或植物體對(duì)不同酶的響應(yīng)靈敏度不同[22]。

2.2 外加電壓對(duì)人工濕地污染物去除率的影響

圖5為人工濕地不同水力停留時(shí)間內(nèi)污染物去除率的變化。如圖5A所示，對(duì)照組與試驗(yàn)組的COD去除率呈先上升后下降的趨勢(shì)，且水力停留時(shí)間為2 d時(shí)的去除效果最佳。在CW-1處理下，COD去除率顯著高于對(duì)照組和其他試驗(yàn)組（P＜0.05），在水力停留時(shí)間為2 d時(shí)達(dá)到峰值95.2%；水力停留時(shí)間為3 d時(shí)，COD的平均去除率降低了10%。結(jié)果表明，隨水力停留時(shí)間的增加，反應(yīng)器中微生物數(shù)量增加，廢水中有機(jī)碳源減少，微生物活性降低，導(dǎo)致去除率下降。CW-0.5和CW-1處理下COD去除率與對(duì)照組存在顯著差異（P＜0.05），表明電極系統(tǒng)的電解作用可以使復(fù)雜的有機(jī)物發(fā)生開環(huán)和斷鏈，產(chǎn)生的活性基團(tuán)促進(jìn)了難降解有機(jī)物分解為小分子[23-24]；此外，電場(chǎng)對(duì)植物的誘導(dǎo)作用加快了根系分泌氧的速率，濕地系統(tǒng)內(nèi)好氧菌群數(shù)量增加、活性增強(qiáng)，從而提高微生物對(duì)人工濕地中有機(jī)物的降解率。

人工濕地系統(tǒng)在外加電壓的作用下一方面電解水產(chǎn)生的氫可作為自養(yǎng)反硝化菌的供電體，另一方面可刺激微生物新陳代謝，增強(qiáng)微生物脫氮能力。如圖5B和圖5C所示，NH+4-N和TN的去除率隨水力停留時(shí)間的增加均呈先上升后下降的趨勢(shì)。水力停留時(shí)間為0.5 d時(shí)，NH+4-N去除率為59.1%～79.1%；當(dāng)水力停留時(shí)間為2 d時(shí)，NH+4-N去除率達(dá)到峰值為85.5%～92.5%，可見，水力停留時(shí)間對(duì)NH+4-N去除效果影響顯著（P＜0.05）。水力停留時(shí)間為2 d和3 d時(shí)，TN去除率無(wú)顯著差異（P＞0.05），但與水力停留時(shí)間0.5 d存在顯著差異（P＜0.05）。結(jié)果表明，高電壓作用下濕地系統(tǒng)的微生物活性受到抑制，并且生物膜上氫濃度升高產(chǎn)生氫抑制現(xiàn)象，導(dǎo)致部分生物膜脫落；NO-3在高電壓脅迫下更容易向陽(yáng)極移動(dòng)，使得陰極附近的NO-3濃度降低，影響反硝化效果[24-25]。此外，水力停留時(shí)間的增加導(dǎo)致碳源不足，且陽(yáng)極可能產(chǎn)生過(guò)多的CO2，降低溶液pH值，不利于微生物生長(zhǎng)，從而影響去除效率[26]。

人工濕地通過(guò)基質(zhì)吸附、化學(xué)沉淀、微生物同化和植物吸收實(shí)現(xiàn)磷的去除[27]。如圖5D所示，TP去除率在各水力停留時(shí)間下均保持在90%以上。水力停留時(shí)間為3 d時(shí)，CW-1處理下TP去除率達(dá)到99.6%。由于植物吸收和微生物同化對(duì)磷的去除量極其有限（低于8%），因此基質(zhì)吸附與化學(xué)沉淀通常是除磷的主要途徑[28]。焦炭填料中含有大約20%的Fe3+可與水體中的OH-結(jié)合生成Fe（OH）3，實(shí)現(xiàn)電絮凝作用除磷[29]。

2.3 外加電壓對(duì)微生物ATP、LDH、蛋白濃度和多樣性的影響

2.3.1 外加電壓對(duì)ATP濃度的影響

ATP是微生物重要的能量?jī)?chǔ)存物質(zhì)，它為微生物的代謝提供能量[30]，在物質(zhì)和能量循環(huán)中起著重要作用。如圖6所示，ATP濃度在CW-0.5和CW-1處理下較對(duì)照組增加了24%和31%，但在CW-2處理下降低了14%。結(jié)果表明，適宜電壓能夠增加ATP濃度，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和代謝，但高電壓對(duì)微生物的生長(zhǎng)活性具有負(fù)面影響。

2.3.2 外加電壓對(duì)LDH濃度的影響

LDH是一種主要存在于細(xì)胞質(zhì)中的糖酵解酶。正常情況下，由于細(xì)胞膜的保護(hù)，溶液中LDH的濃度較少，但當(dāng)細(xì)胞膜被破壞時(shí)，溶液中LDH的濃度增加，因此LDH可以作為細(xì)胞破裂的指標(biāo)[30]。如圖7所示，CW-0.5和CW-1處理下LDH濃度與對(duì)照組幾乎相等，無(wú)顯著差異（P＞0.05）。在CW-2處理下，LDH濃度是對(duì)照組的1.10倍，有明顯的上升趨勢(shì)，存在顯著差異（P＜0.05）。結(jié)果表明，外加電壓會(huì)影響細(xì)胞膜的電學(xué)性質(zhì)，細(xì)胞膜內(nèi)膜帶正電，外膜帶負(fù)電，如果細(xì)胞膜的電特性發(fā)生變化，細(xì)胞膜就有可能被破壞[31]。此外，細(xì)胞膜上的離子和分子通道受某些特殊離子如Ca2+的控制，施加電壓過(guò)大也可能影響Ca2+的濃度，從而導(dǎo)致細(xì)胞破裂[32]。

2.3.3 外加電壓對(duì)蛋白質(zhì)濃度的影響

蛋白質(zhì)是用于細(xì)胞間信息交流和保持細(xì)胞穩(wěn)定的重要組成物質(zhì)之一，菌體溢出到溶液中的蛋白質(zhì)濃度可以表示微生物細(xì)胞膜通透性的變化。由圖8所示，CW-0和CW-0.5處理下，蛋白質(zhì)濃度無(wú)顯著差異（P＞0.05）；CW-1和CW-2處理下蛋白質(zhì)濃度分別是對(duì)照組的1.08倍和1.21倍，與對(duì)照組存在顯著差異（P＜0.05）。結(jié)果表明，適宜的電壓刺激能夠在不損壞細(xì)胞膜的情況下增加細(xì)胞膜的通透性，更有利于細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)[33]。同時(shí)，作為胞外基質(zhì)和胞外聚合物的主要大分子組分，蛋白質(zhì)濃度增加也說(shuō)明適宜的電壓能夠加速微生物的代謝和生長(zhǎng)，促進(jìn)細(xì)胞產(chǎn)生分泌物[34]。但CW-2處理下，蛋白質(zhì)濃度顯著增加，表明高電壓刺激增大了細(xì)胞膜表面孔隙，甚至破壞細(xì)胞膜，使得細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)泄漏，反應(yīng)器溶液中蛋白質(zhì)濃度增加，最終可能導(dǎo)致微生物死亡。

2.3.4 外加電壓對(duì)微生物群落多樣性的影響

表2描述了人工濕地系統(tǒng)微生物的多樣性和豐富度。由表可知，與對(duì)照組相比CW-0.5和CW-1處理下Shannon、Chao、Ace和Shannoneven指數(shù)增加，表明適宜電壓對(duì)反應(yīng)器內(nèi)微生物豐富度和多樣性起到正向作用；而在CW-2處理下微生物的均勻度、豐富度和多樣性均下降，表明施加2 V電壓對(duì)微生物脅迫增大，導(dǎo)致部分耐受能力弱的微生物死亡。

3 結(jié)論

（1）施加電壓為0.5 V和1 V時(shí)，能夠促進(jìn)李氏禾生長(zhǎng)發(fā)育，表現(xiàn)為葉綠素含量增加。施加電壓為2 V時(shí)，MDA含量增加，植物生長(zhǎng)受到抑制。李氏禾通過(guò)提高SOD、POD和CAT的活力以及增加可溶性蛋白的濃度來(lái)緩解電壓脅迫對(duì)植物體造成的毒害。

表2施加不同電壓下人工濕地系統(tǒng)微生物α多樣性指數(shù)Table 2 Microbialαdiversity index of constructed wetland system under different voltage

（2）水力停留時(shí)間為2 d，施加電壓為1 V時(shí)，COD、NH+4-N、TN和TP的去除率分別可達(dá)95.2%、92.5%、85.9%和98.2%；相較于0 V對(duì)照組分別提高了9.3%、6.9%、10.3%和5.3%，表明適宜電壓可提高污染物的去除率。

（3）施加電壓為0.5 V和1 V時(shí)，ATP含量增加，微生物代謝加快，豐富度和多樣性增加，污染物去除率提高；施加電壓為2 V時(shí)，LDH和蛋白質(zhì)含量顯著降低，微生物活性受到抑制，均勻度、豐富度和多樣性均減少，污染物去除率降低。