人工湿地是20世纪70年代兴起的一种新型处理污水方式，它利用湿地中基质、水生植物、微生物之间的相互作用，净化生活及工业污水，具有较强的脱氮除磷能力和显著的生态环境效益，能够实现废水资源化处理。国内外进行了大量有关人工湿地基质粒径和植物对废水去除效率的研究和应用。人工湿地不仅可以进行废水处理，同时湿地中的植物和基质会为微生物提供附着位点，有利于微生物的生长。
研究表明，不同的基质粒径和植物会影响微生物的群落。在人工湿地运行中，种植植物的脱氮效果显著优于无植物对照组，加种植物后湿地脱氮效率提高了17%〜65%。LU等研究了种植不同植物与无植物对照组相比，微生物丰富度和生物多样性增加，而且相关的反硝化菌属(假单胞菌、不动杆菌、根瘤菌和芽抱杆菌)丰度增加，增强了脱氮效果。DU等发现植物的种植增加了垂直流人工湿地功能微生物的丰度，并推测假单胞菌属可能是微生物除磷吸附的主要菌属。但是，大量的研究釆用的进水TN的质量浓度为25〜40mg/L的低含量污水；而进水TN的质量浓度在7.94-11.21mg/L的研究较少，且对于基质和植物种植对微生物群落的影响以及与处理效果之间关系研究较少。
为了系统地研究复合人工湿地对超低含量污水的净化效果及其与微生物群落的关系，研究采用构建4组潜流-表面流复合人工湿地进行实验以及高通量测序的方法，考察不同基质粒径与植物组合的复合人工湿地对超低含量污水的脱氮除磷性能以及潜流湿地微生物群落的变化，以及潜流湿地脱氮除磷性能与微生物群落的关系。
一、实验部分
1.1 复合人工湿地的构建
如图1所示，复合人工湿地由潜流人工湿地和表面流人工湿地组成，潜流湿地反应器尺寸为1.2mx0.4mx1.1m，表面流湿地尺寸为1.5mx0.4mx1.2m，湿地小试装置均由PVC板材构建而成。实验反应器位于重庆大学校内，实验进水采用生活污水稀释过后的超低含量污水，通入人工湿地中进行净化。
复合人工湿地共设置4组，分为A1、A2、B1、B2，基质为砾石，厚度均为30cm。基质上部均为30〜200mm的碎石表层，厚度15cm。下部为20〜40mm的碎石承托层，厚度30cm。潜流湿地与表流湿地的具体配置如表1所示
4组复合湿地的表面流湿地底部由厚度0.2m粒径为30〜400mm的碎石承托层和0.3m的土壤组成。在4组表面流人工湿地中，均投加沉水植物、浮水植物，黒藻、金鱼藻、苦草、大萍和粉绿狐尾藻。复合人工湿地植物的种植密度为50株/m%每组复合人工湿地实验进水体积流量为120m3/d，整体水力负荷为0.12m7(m2•d)，总HRT为3d。
1.2 实验方法
复合人工湿地于2018年4月初搭建完毕并开始运行，进水方式为连续进水。实验选取5—11月的数据进行分析。进水TN、NH3-N、TP的质量浓度平均分别为(8.59±0.79)、(8.18±0.82)、(0.58±0.10)mg/L。
1.3 分析方法
TN含量测定采用碱性过硫酸钾消解分光光度法测定，TP含量测定采用过硫酸钾-铝酸镀分光光度法测定，NH3-N含量测定采用纳氏试剂分光光度法测定，DO含量采用HACH(hqlld)仪器测定。
使用通用细菌引物16SrRNA的5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3'禾U5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'(V3-V4区)对提取的DNA进行PCR扩增。将所有序列读数聚类到操作分类单位(OTU)(相似性阈值为97%)。高通量测序服务由上海某生物平台提供。
1.4 统计方法
用单因素方差分析(One-wayANOVA)进行差异性分析，检验数据间的差异性。所有统计分析均采用SPSS23.0版软件进行，并在P<0.05水平时被认为是显著的。
二、结果与讨论
2.1 污水的净化效果
复合人工湿地NH3-N，TN和TP去除率如表2所示。
由表2可知，NH3-N、TN、TP总去除率最高的均为Al组。潜流湿地的脱氮除磷主要发生在潜流湿地内部，表面流湿地脱氮除磷较少，因此将4组潜流湿地的脱氮除磷差异作为主要分析对象。脱氮效果最好的为A1组，与其他组有显著差异。
2.2 潜流湿地的净化效果
2.2.1 NH3-N的去除
图2为潜流人工湿地中进出水的NH3-N含量变化。
由图2可知，进水NH3-N的质量浓度平均为&18mg/L，Al、A2、Bl、B2的潜流湿地出水NH3-N的质量浓度平均分别为4.50、4.84、4.95、4.69mg/L，平均去除率分别为64.07%、53.48%、57.94%、46.64%。夏季去除效果要优于秋季，表明基质粒径和植物对NH3-N的处理效果有影响，风车草的处理效果优于梭鱼草，植物的直接吸收作用较小，但是植物根部会分泌碳源和氧气，有利于微生物的生长，增加了微生物对NH3-N的去除作用，这可能与植物的种植改变了基质微生物群落有关。
梭鱼草和风车草在细粒径基质中的硝化作用要优于粗粒径基质中，因此在脱氮处理效果中，硝化作用和反硝化作用起到主要作用。由于不同植物根部会携带不同的微生物，而且梭鱼草和风车草在5〜20mm砾石中能够为微生物提供更多的附着面积，因此脱氮效果最好。
4组潜流湿地的进水DO的质量浓度为4.45mg/L，出水DO的质量浓度分别为4.84、3.78、4.65、3.51mg/L。由于细粒径中的DO量要多于粗粒径，有利于硝化作用的进行。DO含量增加可以有效提升硝化反应速率。细粒径去除效果优于粗粒径，是因为细粒径不仅能提供更多的附着面积，还能有利于提高DO含量，所以增强NH3-N的去除效果。
2.2.2 TN的去除
图3为潜流人工湿地中进出水的TN含量变化。
由图3可知，复合人工湿地的进水TN的质量浓度平均为8.59mg/L，Al、A2、Bl、B2的潜流湿地出水TN的质量浓度平均分别为4.50、4.84、4.95、4.69mg/L，平均去除率分别为62.78%、50.79%、54.87%、44.31%。NH3-N和TN的去除效果较为相似，且NH3-N是进水中氮的主要>
梭鱼草和风车草在细粒径基质中的硝化作用要优于粗粒径基质中，因此在脱氮处理效果中，由于细粒径基质由更大的比表面积，有利于对NH3-N的吸附，且为微生物提供更多的附着面积，因此脱氮效果更好。
2.2.3 TP的去除
图4为潜流人工湿地中进出水的TP含量变化。
由图4可知，复合人工湿地的进水TP的质量浓度平均分别为0.58mg/L，Al、A2、Bl、B2的平均去除率分别为41.89%、38.73%、33.81%、30.89%。夏季去除效果要优于秋季。基质吸附是磷去除的主要因素。湿地中的磷主要通过植物吸收、基质吸附和微生物同化作用去除，而基质对磷的物化吸附和化学沉降是最重要的去除机理，对以任何形式存在的磷均能有效去除。
LU等指出，人工湿地基质填料对磷的吸附、截留、交换等作用的比例大约为26%。。本实验结果表明，基质粒径和植物对TP的去除均有影响。细粒径组的去除率显著优于(p<0.05)粗粒径组，粒径5〜20mm的砾石比粒径20〜40mm的砾石有着更大的比表面积，可以更好地吸附磷。
人工湿地中除磷菌多为异养细菌(不动杆菌和假单胞菌等)。DU发现上述不动杆菌和假单胞菌可能是主要的在人工湿地中负责去除TP的属叩。风车草组除磷效果优于梭鱼草组，这可能是分泌物和碳源有利于不动杆菌和假单胞菌生长，提高了除磷能力，因此除磷效果更好。
2.3人工湿地微生物群落
2.3.1微生物序列和多样性
采用夏季潜流湿地根系土壤进行微生物测序，微生物多样性和丰度如表3所示。
由表3可知，各组潜流湿地中根系微生物测序中序列覆盖率大于0.98，说明了测序结果很好显示了样本的真实情况。A1组风车草的3个丰富度指标均最高，B2组梭鱼草最低，说明A1组风车草的种植有效改善了微生物丰富度。A1组风车草的Shanoon指数最高，B2组梭鱼草Shanoon指数最低，说明了风车草的种植能有效的改善群落多样性，这可能是植物根系泌氧和根系分泌碳源的原因，有利于微生物富集与生长。
通过A1、A2与B1、B2比较，发现细粒径植物根系微生物多样性和丰富度都比粗粒径组要高，这可能与水体DO含量较高以及细粒径有更大的比表面积，有利于微生物的生长有关。
2.3.2微生物组成差异
潜流人工湿地各组微生物门水平组成如表4。
由表4可知，将微生物检测频率>1%的菌门做为主要菌门，共有8个。其中6大优势菌门依主次为变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae)。A1组风车草的变形菌门的相对丰度最低，原因是风车草的种植改善了微生物多样性。据相关研究，变形菌门和厚壁菌门有丰富的反硝化菌属，对反硝化有重要的作用，硝化螺旋菌门有着丰富硝化功能菌属问。A1组风车草的厚壁菌门和硝化螺旋菌门相对丰度最高，这可能是A1组潜流湿地有较高的氮去除率的原因。风车草和梭鱼草的菌门丰度有较大差异，这可能是风车草与梭鱼草的根系分泌物不同，影响微生物的群落。通过结果比较，细粒径基质组变形菌门的丰度相对较低，这是细粒径改善了微生物的多样性。基质的粒径对微生物群落产生了影响，这可能是粒径差异引起了DO含量变化，影响微生物群落的结构。
据有关研究，人工湿地中有着丰富的反硝化细菌。其中，主要作用的异养反硝化细菌包括不动杆菌属(.Acinetobacter)>假单胞菌属(Pseudomonas)、芽抱杆菌属(Bacillus)、脱氯单胞菌属(Dec/i/oromonas)和罗思河小杆菌属(Rhodanobacter')等，主要的自养反硝化细菌有硫杆菌属(Thiobacillus)和热单胞菌属(Thermomonas)等“人工湿地中的主要氨氧化细菌包括氨基杆菌属(4minobacterium')、亚硝化单胞菌属〈Nitrosomonas')、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化球菌属(Nitrosococcus)等W硝化杆菌属(.Nitrobacter')和硝化螺菌属(Nitrospira)具有硝化功能问。LU等发现了不动杆菌和假单胞菌具有高效聚磷作用，是主要的人工湿地去磷菌属。
表5为潜流湿地中丰度大于0.5%氮磷功能微生物菌属。
由表5可知，主要的反硝化菌属是不动杆菌属、假单胞菌属、芽鞄杆菌属等异养反硝化菌属，主要的除磷菌属是不动杆菌属、假单胞菌属。风车草的假单胞菌属、不动杆菌属和芽抱杆菌属丰度明显高于梭鱼草，说明了风车草更有利于富集反硝化和除磷菌属，这可能是风车草分泌更多的碳源，加速了异养菌的生长所致。细粒径组的不动杆菌属、假单胞菌属、芽抱杆菌属的丰度明显高于粗粒径组，这是因为细粒径组有更高的DO含量，为反硝化细菌和除磷菌提供了更适宜的生长环境。
亚硝化单胞菌属(氨氧化细菌)丰度远小于硝化螺菌属(硝化细菌)，但是各组人工湿地都对氨氮有较好的的去除效果，原因是硝化螺菌属不仅具有硝化功能，还具有氨氧化功能，所以硝化螺菌属是主要的氨氧化菌属切。A1组风车草的硝化螺菌属(NH3-N去除率最高)丰度最高，表明硝化螺菌属丰度与人工湿地氨氮去除率有关。人工湿地主要的反硝化细菌是异养反硝化细菌(不动杆菌属、假单胞菌属、芽抱杆菌属)，为总反硝化菌属总丰度的70.8%~79.6%，所以这3个菌属在TN去除过程中的主要菌属。A1组风车草的不动杆菌属、假单胞菌属、芽抱杆菌属(TN去除率最高)总丰度最高，表明不动杆菌属、假单胞菌属、芽抱杆菌属丰度增加有利于人工湿地TN去除，是人工湿地中主要的反硝化菌属。
人工湿地中主要的除磷菌属是不动杆菌和假单胞菌，A1组风车草的不动杆菌属、假单胞菌属(TP去除率最高)总丰度最高，B2组梭鱼草(TP去除率最低)总丰度最低，表明不动杆菌属、假单胞菌属丰度增加有利于人工湿地TP去除，是人工湿地中主要的除磷菌属。
三、结论
4组人工湿地对NH3-N，TN和TP均有较好的处理效果，各组NH3-N、TN和TP的总去除率分别为66.54%〜74.05%、61.55%〜73.61%、38.16%〜54.64%，脱氮除磷主要发生在潜流湿地，各组NH3-N、TN和TP的去除率分别为46.64%〜64.07%、44.31%〜62.78%和30.89%〜41.89%，去除率最高的为A1组风车草。
人工湿地中主要的反硝化细菌是异养反硝化菌，包括不动杆菌属、假单胞菌属、芽砲杆菌属。人工湿地中主要的除磷细菌是不动杆菌属、假单胞菌属。
基质粒径对NH3-N、TN和TP的处理效果有影响，5-20mm粒径对NH3-N和TP处理效果均优于20〜40mm粒径基质，原因是细粒径由更高的DO含量和更大的比表面积，增加了不动杆菌属、假单胞菌属、芽砲杆菌属的丰度，所以增加了脱氮除磷的效果。
风车草的NH3-N、TN和TP处理效果均优于梭鱼草，可能是植物根部的分泌物不同，富集的微生物不同。风车草改善了基质微生物的多样性和丰度。风车草组对不动杆菌属、假单胞菌属、芽砲杆菌属这些氮磷功能微生物要明显高于梭鱼草组，所以风车草氮磷处理效果要优于梭鱼草。（>
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