林國(guó)富

（莆田市河務(wù)管理中心，福建 莆田 351100）

水利水電工程是我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其在農(nóng)田水利灌溉、水力發(fā)電、航運(yùn)運(yùn)輸、城市供水與流域防洪等方面發(fā)揮著重要作用。然而，由于水利水電工程建設(shè)會(huì)造成上游流域水體流速放緩與水力停留時(shí)間延長(zhǎng)，易為藻類(lèi)富集創(chuàng)造條件，形成水華現(xiàn)象， 因此水利水電工程的庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境整治已成為我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要任務(wù)之一。

近年來(lái)， 農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水利水電工程區(qū)域水質(zhì)安全與穩(wěn)定的影響作用日漸突出，該類(lèi)污染主要通過(guò)雨水沖刷與農(nóng)田退水等途徑向環(huán)境水體輸移有機(jī)物與營(yíng)養(yǎng)鹽。相比點(diǎn)源污染，該類(lèi)型污染存在間歇性與突發(fā)性等特點(diǎn)， 且治理過(guò)程中成本控制是保證污染有效消除的關(guān)鍵因素， 因此傳統(tǒng)活性污泥處理技術(shù)與物化處理技術(shù)難以在農(nóng)業(yè)面源污染控制方面實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。 生態(tài)處理工藝因具有建設(shè)運(yùn)行成本低、管理維護(hù)簡(jiǎn)單與處理效果穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是控制面源污染、保證流域生態(tài)系統(tǒng)安全的有效措施［1］。

水生植物濾床屬于植物修復(fù)技術(shù)， 該技術(shù)以水生植物為核心、水生動(dòng)物及微生物共生，不填充任何介質(zhì)，且可實(shí)現(xiàn)物理過(guò)濾和生物處理相結(jié)合，具有運(yùn)行管理成本較低與無(wú)二次污染等特點(diǎn)， 且結(jié)合水生蔬菜的耦合，還可實(shí)現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)效益［2］。近年來(lái)，該技術(shù)已應(yīng)用到了富營(yíng)養(yǎng)化水體治理、 養(yǎng)殖污水深度處理、城鎮(zhèn)生活污水等方面，驗(yàn)證效果表明在保障環(huán)境水質(zhì)安全方面具有應(yīng)用價(jià)值［2-3］。但是，目前該方面研究依然主要以點(diǎn)源污水處理為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，關(guān)注其在面源污染治理方面的研究未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道，而農(nóng)田退水所用的無(wú)行洪要求的排水溝道等農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施作為面源污染輸送的重要途徑， 水生植物濾床技術(shù)完全可與其進(jìn)行耦合應(yīng)用。因此，根據(jù)上述研究現(xiàn)狀， 本研究以水生植物濾床技術(shù)的水力負(fù)荷與收割頻率為研究因子， 通過(guò)模擬研究考察其在不同運(yùn)行條件下對(duì)農(nóng)田退水處理的潛在效能， 并基于物質(zhì)平衡計(jì)算與生物代謝途徑分析， 研究污染轉(zhuǎn)化的過(guò)程機(jī)制， 以期為水利水電工程區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染的生態(tài)低碳控制提供理論參考與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)

水力負(fù)荷與收割頻率是水生植物濾床技術(shù)運(yùn)作的關(guān)鍵控制參數(shù)， 已有研究通常對(duì)單一因素進(jìn)行分析，從而忽略了兩者之間的協(xié)同作用，因此本研究為了系統(tǒng)性分析兩者對(duì)水生植物濾床技術(shù)處理農(nóng)業(yè)面源污染的影響， 通過(guò)中心復(fù)合設(shè)計(jì)構(gòu)建了9 組系統(tǒng)（R1～R9），為系統(tǒng)效能地響應(yīng)面分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。9 組系統(tǒng)中水力負(fù)荷控制水平設(shè)定為10、20、30 cm/d，植物收割頻率設(shè)定為1、2、3 次， 由此9 組系統(tǒng)的水力負(fù)荷與收割頻率設(shè)置情況如表1。 實(shí)驗(yàn)采用空心菜為植物對(duì)象，種植密度設(shè)定為50 棵/m2，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行操作時(shí)間為90 d，從而根據(jù)收割頻率的設(shè)定，實(shí)驗(yàn)對(duì)各個(gè)系統(tǒng)中植物的收割分別在30、45、90 d 的運(yùn)行階段。為保障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，本論文采用人工模擬污水進(jìn)行研究， 并根據(jù)農(nóng)田退水的實(shí)地調(diào)研與文獻(xiàn)查閱［1,4］，實(shí)驗(yàn)?zāi)M污水中總氮設(shè)定為20 mg/L（氨氮2 mg/L，硝態(tài)氮18 mg/L），總磷設(shè)定為4 mg/L，總有機(jī)碳設(shè)定為20 mg/L。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)水力負(fù)荷與收割頻率的設(shè)置情況

1.2 實(shí)驗(yàn)分析方法

水體樣品中總氮、 總磷與總有機(jī)碳的濃度分析均采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》中的標(biāo)準(zhǔn)方法，響應(yīng)面分析數(shù)據(jù)采用總氮、 總磷與總有機(jī)碳各自去除效率的平均水平。在定期對(duì)植物進(jìn)行收割后，對(duì)每次收割的生物量進(jìn)行記錄， 并采用烘干法對(duì)植物含量進(jìn)行測(cè)定， 植物總氮和總磷分別采用元素分析儀與微波消解-鉬銻抗分光光度法進(jìn)行測(cè)定。在系統(tǒng)運(yùn)行第90 d，本研究對(duì)系統(tǒng)中植物根系微生物進(jìn)行采集，微生物DNA 提取采用E.Z.N.A?DNA 試劑盒（OMEGA Bio-Tek），提取的DNA 純度利用瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè)， 其濃度通過(guò)微量核酸蛋白質(zhì)分析儀進(jìn)行檢測(cè)（NanoDrop ND-1000）。實(shí)驗(yàn)以16S rRNA基因V3V4 區(qū)為目標(biāo)區(qū)域，在PCR 擴(kuò)增、產(chǎn)物熒光定量、文庫(kù)構(gòu)建等程序后，采用Illumina?MiSeq PE300進(jìn)行樣品測(cè)序。測(cè)序完畢后，實(shí)驗(yàn)采用PICRUSt 對(duì)分類(lèi)操作單元 （OUT） 豐度表進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化， 進(jìn)而基于KEGG Ortholog 信息對(duì)生物代謝通路與功能基因進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 技術(shù)實(shí)施效能

研究結(jié)果表明水生植物濾床技術(shù)在不同的運(yùn)行策略下皆具有對(duì)總氮、總磷與總有機(jī)碳的去除效果。如圖1，實(shí)驗(yàn)在運(yùn)行90 d 過(guò)程中，總氮在R1～R9 系統(tǒng)中的平均去除效率分別為43%、39%、35%、58%、46%、31%、55%、42%、51%；總磷在R1～R9 系統(tǒng)中的平均去除效率分別為22%、14%、16%、26%、19%、18%、28%、21%、30%； 總有機(jī)碳在R1～R9 系統(tǒng)中的平均去除效率分別為13%、11%、8%、18%、11%、13%、21%、14%、24%。通過(guò)比較可發(fā)現(xiàn)，水生植物濾床技術(shù)對(duì)于總氮的去除效果最佳， 而對(duì)于總有機(jī)碳的去除效果最弱， 該結(jié)果與水生植物濾床在深度處理養(yǎng)殖污水中的特征相反， 對(duì)于處理微污染水源水的實(shí)施效能情況相似［3,5］。分析原因主要在于處理水質(zhì)的污染物基質(zhì)濃度差異及植物分泌物影響。 已有研究表明植物在生態(tài)凈化工藝中的作用不僅表現(xiàn)在富氧與微生物攔截方面， 其還可通過(guò)根系分泌物形式為環(huán)境提供碳源［6］，因此對(duì)于農(nóng)業(yè)退水與微污染水源水此類(lèi)含較低有機(jī)物濃度的污水來(lái)說(shuō)， 水生植物根系分泌物可能會(huì)影響其去除效率。

圖1 水生植物濾床體系中總氮、總磷與總有機(jī)碳的去除效率

2.2 控制參數(shù)的協(xié)同作用規(guī)律

基于總氮、 總磷與總有機(jī)碳各自去除效率的平均水平， 研究采用響應(yīng)面回歸模型對(duì)水力負(fù)荷與收割頻率的作用影響進(jìn)行分析。 模型方差分析結(jié)果指出，二次式模型適合用于總氮和總磷的數(shù)據(jù)擬合，兩者擬合模型皆達(dá)到顯著性水平（P＜0.05），且兩者預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)分別為0.9843 和0.9981，符合模型精準(zhǔn)度與可信度要求；在總有機(jī)碳數(shù)據(jù)方面，研究發(fā)現(xiàn)線性模型適合用于其數(shù)據(jù)擬合， 其模型達(dá)到顯著性水平（P＜0.05），且預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)和校正相關(guān)系數(shù)分別為0.8204 和0.7605， 兩者之差亦達(dá)到小于0.2 的可靠性要求。

水力負(fù)荷與收割頻率對(duì)污染物去除效率的交互作用規(guī)律如圖2， 研究結(jié)果指出水力負(fù)荷與植物收割頻率對(duì)于總氮、 總磷與總有機(jī)碳各自去除效率皆有明顯的作用影響。 總氮去除效率會(huì)隨著水力負(fù)荷增加與收割頻率次數(shù)增多而趨于降低， 水力負(fù)荷與收割頻率的相對(duì)影響系數(shù)分別為9.83 和3.00，該結(jié)果表明水力負(fù)荷對(duì)于總氮去除效率的影響要大于收割頻率。 兩組控制因子對(duì)于總磷去除效率與總有機(jī)碳去除效率的影響具有相似性， 即兩者去除效率會(huì)隨著收割頻率次數(shù)增多而增加， 但會(huì)隨著水力負(fù)荷提升而降低。 水力負(fù)荷與收割頻率對(duì)總磷去除效率的相對(duì)影響系數(shù)分別為6.00 和1.83，而對(duì)總有機(jī)碳則為5.17 和1.67，由此可見(jiàn)，水力負(fù)荷對(duì)于兩者去除效率的影響也是大于收割頻率。 基于上述所獲結(jié)果， 研究通過(guò)數(shù)值優(yōu)化算法對(duì)水生植物濾床處理農(nóng)業(yè)面源污染的最優(yōu)控制條件進(jìn)行求解， 預(yù)測(cè)結(jié)果指出水力負(fù)荷與植物收割頻率分別控制在10 cm/d 和3 次的運(yùn)行條件是最佳控制策略 （預(yù)測(cè)可信度值=0.869），而在此條件下總氮、總磷與總有機(jī)碳的去除效率預(yù)測(cè)值分別為52%、30%和22%， 這與R9 系統(tǒng)（水力負(fù)荷=10 cm/d；植物收割頻率=3 次）所表征出的污染效能高度相似。

圖2 水力負(fù)荷與收割頻率對(duì)污染物去除效率影響的響應(yīng)

水力負(fù)荷是生態(tài)處理工藝中的關(guān)鍵控制參數(shù)，該因素對(duì)于處理過(guò)程的影響主要體現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部水力停留時(shí)間控制等方面， 進(jìn)而對(duì)工藝中微生物代謝產(chǎn)生影響。 植物收割頻率則是通過(guò)影響植物生長(zhǎng)狀態(tài)，進(jìn)而影響植物對(duì)污染物的去除［3］，而已有研究表明即使在最理想的生長(zhǎng)條件下植物的直接作用 （即污染物直接吸收）對(duì)污染物去除貢獻(xiàn)普遍較小，但植物根系功能微生物豐富度與多樣性則會(huì)對(duì)污染物去除起到更為關(guān)鍵作用［7］。因此，水力負(fù)荷與植物收割頻率的作用差異可能是導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)中兩種控制因子影響強(qiáng)度的主要原因， 同時(shí)該結(jié)果也間接說(shuō)明水生植物濾床在控制農(nóng)業(yè)面源污染過(guò)程中微生物作用可能大于植物吸收作用。

2.3 氮磷去除途徑解析

依據(jù)物質(zhì)平衡關(guān)系， 本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的水生植物濾床在處理模擬污水過(guò)程中氮磷輸入的途徑主要為污水引入，盡管植物根系存在光合細(xì)菌固氮作用，但鑒于實(shí)驗(yàn)所用泡沫浮板對(duì)光照的限制， 故該部分輸入可忽略不計(jì)，而碳的輸入除去污水引入貢獻(xiàn)，主要是通過(guò)植物固碳方式實(shí)現(xiàn)碳素的累積。 鑒于植物固碳過(guò)程對(duì)污水中污染物去除途徑解析的干擾， 因此本研究主要從微生物作用與植物吸收作用方面解析了污水中氮磷的去除途徑。研究結(jié)果指出R1～R9 系統(tǒng) 產(chǎn) 出 的 植 物 總 量 分 別 為3.89、3.16、4.23、2.76、2.98、4.12、2.81、3.77、3.19 kg， 盡管水力負(fù)荷與植物收割頻率存在差異， 但是各個(gè)系統(tǒng)中的空心菜含水率基本保持一致，約90%。各個(gè)系統(tǒng)中氮磷在植物體內(nèi)的累積含量如表2， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出水力負(fù)荷與植物收割頻率未對(duì)氮磷累積含量產(chǎn)生顯著影響， 各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)植物皆保持相似水平， 分析原因在于水體中氮磷污染物去除效率未達(dá)到較高水平， 皆存在適合植物生長(zhǎng)的殘留濃度。

表2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中植物體內(nèi)的氮磷含量 單位：mg/g

基于系統(tǒng)植物產(chǎn)出量、含水率與氮磷累積含量，研究核算的氮磷去除途徑貢獻(xiàn)率如圖3， 分析結(jié)果指出微生物降解在總氮與總磷去除方面發(fā)揮更為重要的作用， 其對(duì)兩者的貢獻(xiàn)率區(qū)間為78%～90%和55%～69%，這一結(jié)果與論文上一部分的推論相一致。同時(shí)， 響應(yīng)面分析結(jié)果進(jìn)一步指出微生物降解作用也對(duì)水力負(fù)荷與植物收割頻率存在顯著性的線性關(guān)系響應(yīng)（P＜0.05），微生物降解作用會(huì)隨著水力負(fù)荷與收割頻率的增加而增大， 而植物吸收作用的貢獻(xiàn)率則會(huì)隨著兩者的減少而降低。該結(jié)果與水生植物濾床技術(shù)在富營(yíng)養(yǎng)化水體治理方面的特征相一致［8］，因此本研究認(rèn)為如何進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)控微生物降解作用， 將是提升水生植物濾床在農(nóng)業(yè)面源污染控制方面應(yīng)用效能的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖3 微生物作用與植物吸收作用對(duì)氮磷去除的貢獻(xiàn)率

2.4 氮素生物系統(tǒng)代謝通路

綜合上述研究結(jié)果可知水生植物濾床技術(shù)在控制農(nóng)業(yè)退水過(guò)程中氮磷營(yíng)養(yǎng)元素去除與微生物具有密切關(guān)系， 鑒于氮素轉(zhuǎn)化存在系統(tǒng)性微生物代謝途徑， 因此本論文基于PICRUSt 方法對(duì)工藝中氮素生物系統(tǒng)代謝通路進(jìn)行分析。 氮素代謝過(guò)程涉及的主要生物作用包括：生物固氮作用、硝酸鹽還原作用、亞硝化和硝化作用、反硝化作用與厭氧氨氧化作用，各個(gè)系統(tǒng)分析結(jié)果指出R1～R9 中除了厭氧氨氧化細(xì)菌與相關(guān)功能基因未被發(fā)現(xiàn)， 其他作用的功能基因皆有存在。如圖4，盡管不同系統(tǒng)中的控制參數(shù)存在差異，但R1～R9 系統(tǒng)內(nèi)氮素生物代謝途徑保持較高相似性。 異化硝酸鹽還原路徑在所有系統(tǒng)內(nèi)皆占據(jù)較大的豐度比例（約42%～53%），反硝化路徑豐度比例位居第2（約19%～25%）。異化硝酸鹽還原路徑與反硝化路徑分別可將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為銨與氮?dú)猓?］，而本實(shí)驗(yàn)所用模擬污水中總氮的主要構(gòu)成組分為硝態(tài)氮， 因此由此研究認(rèn)為污水氮素結(jié)構(gòu)特征是影響水生植物濾床根系微生物氮素轉(zhuǎn)化的主要影響因素，水力負(fù)荷與植物收割頻率并未起到?jīng)Q定性作用。亞硝化路徑作為氨氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵生物步驟，其在系統(tǒng)內(nèi)的相對(duì)豐度比例皆小于1%，此特征進(jìn)一步證實(shí)了該論點(diǎn)， 而相似的研究結(jié)果也在利用水芹處理污水的研究中被發(fā)現(xiàn)［10］。通過(guò)響應(yīng)面分析方法， 研究結(jié)果指出氮素生物代謝機(jī)制未對(duì)水力負(fù)荷與植物收割頻率的差異設(shè)定產(chǎn)生顯著的響應(yīng)關(guān)系（P＞0.05）。 結(jié)合氮素在系統(tǒng)中的去除效率與微生物作用貢獻(xiàn)率， 研究認(rèn)為氮素生物系統(tǒng)代謝通路不是影響微生物作用貢獻(xiàn)率的主要因素， 而系統(tǒng)內(nèi)氮素脫除微生物生物量的高豐度富集與運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化控制才是根本原因。

圖4 氮素生物代謝功能基因在不同層級(jí)上的相對(duì)豐度比例

3 結(jié)語(yǔ)

水生植物濾床具有控制水利水電工程區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染的潛在可行性。 水力負(fù)荷與污染物去除效率之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系， 而植物收割頻率增加雖可提升總磷與總有機(jī)碳的去除， 但會(huì)降低總氮的去除效能。 水力負(fù)荷與植物收割頻率分別控制在10 cm/d 和3 次的運(yùn)行條件是潛在最佳控制策略。微生物降解作用在污染物去除方面貢獻(xiàn)率較大， 且該作用會(huì)隨著水力負(fù)荷與收割頻率的增加而增大。