通过垂直空间应力促进根际中的好氧反硝化作用：提高人工湿地氮转化效率的策略

《Environmental Research》：Promoting aerobic denitrification in the rhizosphere by vertical spatial stress: A strategy to enhance nitrogen conversion efficiency in constructed wetlands

浅层基质人工湿地通过限制基质深度增强根际效应，促进好氧反硝化，使氨氮、总氮和总磷去除率均超80%，根际溶解氧稳定＞2 mg/L。研究显示浅层基质湿地（SCWs）较常规湿地（CCWs）根系生物量增加19.12%，根际呼吸速率提升24.18%，功能基因napAB、narB等丰度显著提高，假单胞菌、短杆菌等反硝化菌群富集，验证了空间应力调控根际微环境提升氮磷去除的机制。

　　本研究探讨了在人工湿地（CWs）中，通过调整基质深度来提升植物根系效应和促进好氧反硝化过程的可行性。人工湿地作为一种低成本、低能耗的污水处理技术，因其良好的生态适应性和可持续性，已成为水体净化和生态修复的重要手段。然而，在实际应用中，基质深度过大会导致溶解氧（DO）浓度降低，物质扩散能力受限，同时碳源供应不足，从而影响湿地的污染物去除效率。因此，开发低能耗策略以建立高溶解氧的微环境，并实现高效的氨氧化与总氮（TN）去除的协同作用，是突破当前人工湿地技术瓶颈的关键。

好氧反硝化（AD）是一种新型的氮去除途径，其特点是利用氧气和硝酸盐作为电子受体，从而实现高效的反硝化过程。大多数好氧反硝化细菌（ADB）具备异养硝化能力，能够在同一系统中实现硝化与反硝化的同步进行，克服了传统生物氮去除过程中氧气供应不足的限制。目前，ADB已被成功应用于多种生物反应器中，如生物接触氧化、膜曝气生物膜反应器和移动床生物膜反应器。然而，在人工湿地中的应用仍处于探索阶段。已有研究表明，在不同湿地环境中，植物根系区域的ADB种类繁多，如黄等（2020a）从人工湿地中分离出一种Zobellella sp. A63，能够显著增强氮去除能力并成为优势菌群。戴等（2024）则在潮汐流人工湿地中筛选出五种ADB菌株，这些功能性微生物群落能够有效提升湿地系统中氨氮（NH4?-N）和总氮的去除效率，并在5-20厘米深度区域表现出较高丰度。这些研究证实了根系区域作为ADB富集的关键热点，对微生物群落结构和功能基因丰度具有深远影响。

植物根系区域作为植物与微生物之间的关键界面，不仅在调节微生物活性、种群多样性和功能方面发挥着决定性作用，同时也是污染物去除的重要区域。具体而言，植物根系系统的形态变化会直接影响微生物的定殖。根系效应，包括径向氧气损失（ROL）和根系分泌物（REs）的释放，为好氧微生物提供了适宜的生存环境，并提供了必要的营养物质。先前研究表明，增强根系效应能够显著提升根系区域ADB的活性。然而，当前提升根系效应的方法仍较为有限，主要依赖于优化植物配置或接种特定功能微生物菌株。这些方法通常面临效率低下、操作复杂以及潜在的环境风险等问题。近年来的研究发现，施加适度的环境压力可以刺激植物根系调节其形态和生理代谢，从而增强根系效应。例如，在适度的磷或氮缺乏条件下，植物会通过增加根长、根密度以及侧根数量来增强根系效应。轻微的水分压力则可以上调水稻根系中特定功能基因的表达，进一步提升根系区域的活性。空间压力（如限制基质深度）可以在不引入外源物质的情况下诱导根系冗余，从而重构根系环境，提高基质中的溶解氧水平，并引发显著的好氧反硝化现象。在浅基质人工湿地（SCWs）中，植物根系系统的冗余发展被认为是其卓越的氮和磷去除性能的主要原因。然而，植物根系如何驱动好氧反硝化过程的机制仍不明确，同时在空间压力下调控ADB富集的关键因素也尚未明确，ADB与其他功能微生物群落之间的相互作用网络和协同机制也需要进一步研究。

本研究构建了两种不同基质深度的地下流人工湿地系统：常规深度人工湿地（T-CCWs）和浅基质人工湿地（T-SCWs），分别在有植物种植和无植物种植的条件下进行实验，旨在探讨不同基质深度下好氧反硝化过程的机制和增强策略。研究目标包括：（i）阐明植物生长过程中根系区域的氮转化效应和微生物群落演替；（ii）探讨根系环境与ADB群落之间的相互作用网络及好氧反硝化增强机制；（iii）揭示在浅基质空间限制条件下碳（C）、氮（N）和磷（P）的循环路径。本研究将加深对人工湿地中根系氮转化过程的理解，并为提升污染物去除能力提供新的视角。

在实验设置方面，两种不同基质深度的人工湿地系统（T-CCWs和T-SCWs）均在实验室大楼的屋顶（中国西安）进行建设，并为每种反应器类型设置三个平行单元。所有人工湿地反应器均采用DN150有机玻璃制造（直径16厘米，高度分别为10厘米和60厘米），并种植了香蒲（typha）。为了明确植物根系效应，还设置了对照组，即不种植任何植物的系统。在运行过程中，人工湿地系统被持续注入模拟污水，以监测污染物去除性能和微生物群落变化。通过定期取样和分析，研究人员能够评估不同基质深度对污染物去除效率的影响，以及植物根系如何调节微生物群落结构和功能基因表达。

在污染物去除性能方面，研究发现不同人工湿地系统的出水氨氮（NH4?-N）、总氮（TN）和总磷（TP）浓度存在显著差异（p<0.01），并且这些污染物的浓度均随着运行时间的增加而呈下降趋势。平均出水浓度显示，不种植植物的常规深度人工湿地（CK-CCWs）的氨氮浓度最高，为23.29 ± 2.15 mg/L，其次是种植植物的常规深度人工湿地（T-CCWs），而浅基质人工湿地（T-SCWs）的氨氮、总氮和总磷去除效率显著高于其他系统，均超过了80%。随着植物的生长，T-SCWs中的根系生物量显著增加，从而增强了径向氧气损失（ROL）和根系分泌物（REs）的释放强度，同时提高了基质中的溶解氧（DO）和溶解有机碳（DOC）浓度。这些变化对氮转化过程产生了重要影响，表明浅基质配置在提升人工湿地中根系效应和好氧反硝化过程方面具有潜力。

在微生物群落分析方面，研究发现浅基质人工湿地（T-SCWs）中的根系区域比常规深度人工湿地（T-CCWs）表现出更强的微生物活性。T-SCWs中，根系分泌物的浓度显著增加，特别是异丁基丁酸和异丁基异丁酸的含量，这些物质进一步刺激了好氧反硝化细菌的富集，如假单胞菌（Pseudomonas）、极小杆菌（Exiguobacterium）和鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）等。同时，关键功能基因如napAB、narB、ppk、ppx和glk在T-SCWs中得到有效富集，从而促进氮和磷的转化过程。这些基因的表达水平显著提高，表明浅基质配置能够通过增强根系效应，提高人工湿地中氮和磷的去除效率。

此外，研究还发现，在浅基质条件下，根系区域的微生物群落结构发生了显著变化。与常规深度人工湿地相比，T-SCWs中的微生物多样性更高，功能基因的丰度也显著增加。这种变化可能与根系效应的增强有关，即根系分泌物的释放和溶解氧水平的提高为微生物提供了更适宜的生存环境。同时，根系区域的微生物群落表现出更强的协同作用，能够有效促进氮和磷的转化过程。这些结果表明，浅基质配置不仅能够提升污染物去除效率，还能够通过调节微生物群落结构和功能基因表达，实现更高效的氮和磷去除。

在实际应用中，人工湿地的污染物去除性能受多种因素影响，包括基质深度、植物种类、微生物群落结构以及环境条件等。本研究通过对比不同基质深度下人工湿地的运行效果，揭示了浅基质配置在提升污染物去除效率方面的优势。同时，研究还发现，植物根系的冗余发展对污染物去除起到了关键作用，特别是在氮和磷的去除过程中。这表明，在人工湿地设计中，合理选择基质深度和植物种类能够有效提升系统的处理能力。

综上所述，本研究通过实验和分析，揭示了浅基质配置在提升人工湿地中根系效应和好氧反硝化过程中的重要作用。研究结果表明，浅基质人工湿地不仅能够提高污染物去除效率，还能够通过增强根系效应和微生物群落结构，实现更高效的氮和磷去除。这些发现为人工湿地的优化设计和运行管理提供了新的思路和依据，有助于推动人工湿地在水体净化和生态修复中的广泛应用。