水(shui)(shui)平潛(qian)流人工(gong)(gong)濕地(horizontal subsurface flow constructed wetlands, HSSFCWs), 已(yi)被廣泛用于(yu)(yu)工(gong)(gong)業、農(nong)業、生活污水(shui)(shui)以及城市地表徑流的(de)(de)(de)(de)(de)處理中.前人利用數值(zhi)模(mo)擬方法結(jie)合實驗(yan)研(yan)(yan)(yan)究結(jie)果表明, 基(ji)(ji)質結(jie)構(gou)對人工(gong)(gong)濕地(constructed wetlands, CWs)水(shui)(shui)力性(xing)(xing)能(neng)(neng)及凈(jing)化效(xiao)(xiao)(xiao)率影響顯(xian)著, 由(you)上到下填料(liao)滲透(tou)系數逐漸增加的(de)(de)(de)(de)(de)分層(ceng)填充(chong)方式能(neng)(neng)有效(xiao)(xiao)(xiao)避免短流及死區的(de)(de)(de)(de)(de)發生, 提(ti)高系統水(shui)(shui)力效(xiao)(xiao)(xiao)率, 從而提(ti)高凈(jing)化效(xiao)(xiao)(xiao)果.值(zhi)得注意的(de)(de)(de)(de)(de)是, 基(ji)(ji)質結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)異(yi)在提(ti)升系統性(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)同(tong)時, 勢必會(hui)引起床體(ti)(ti)中微生物種(zhong)群及結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)異(yi), 而目(mu)前國內外對于(yu)(yu)這方面的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)(yan)究還(huan)鮮有報(bao)道.鑒于(yu)(yu)此, 本課題組以連續運行的(de)(de)(de)(de)(de)分層(ceng)結(jie)構(gou)及單層(ceng)結(jie)構(gou)人工(gong)(gong)濕地系統為研(yan)(yan)(yan)究對象(xiang), 研(yan)(yan)(yan)究不同(tong)基(ji)(ji)質結(jie)構(gou)人工(gong)(gong)濕地系統凈(jing)化性(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)異(yi)及微生物群落結(jie)構(gou)分布(bu)差(cha)異(yi), 并利用PCA分析其與(yu)床體(ti)(ti)微生物種(zhong)群結(jie)構(gou)分布(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)相關性(xing)(xing).

1 材料與方法 1.1 實驗裝置

構建3個(ge)尺寸(cun)相(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)(de)人(ren)工濕地實驗裝置(zhi)(CW1、CW3及CW6), 長、寬(kuan)、高分別為(wei)(wei)(wei)(wei)2、1及0.6 m(圖 1), 種植植物(wu)為(wei)(wei)(wei)(wei)美人(ren)蕉(jiao).床體分為(wei)(wei)(wei)(wei)3部分, 左右兩端分別為(wei)(wei)(wei)(wei)0.2 m的(de)(de)(de)(de)布水(shui)區(qu)(qu)和集水(shui)區(qu)(qu), 主體填(tian)料區(qu)(qu)長度(du)為(wei)(wei)(wei)(wei)1.6 m, 填(tian)充不同(tong)粒徑的(de)(de)(de)(de)石(shi)英(ying)砂(sha).其中：① CW1為(wei)(wei)(wei)(wei)單層人(ren)工濕地, 由顆粒尺寸(cun)≤6 mm的(de)(de)(de)(de)混合(he)石(shi)英(ying)砂(sha)組成, 其水(shui)力傳導(dao)率(lv)K為(wei)(wei)(wei)(wei)65 m ?d-1; ② CW3為(wei)(wei)(wei)(wei)3層結構的(de)(de)(de)(de)人(ren)工濕地, 每層厚度(du)相(xiang)等, 均為(wei)(wei)(wei)(wei)0.2 m, 石(shi)英(ying)砂(sha)粒徑從表(biao)(biao)層到底層分別為(wei)(wei)(wei)(wei)≤0.6、0.4~0.6和1.0~3.0 mm, 相(xiang)應的(de)(de)(de)(de)K值分別為(wei)(wei)(wei)(wei)26、36和64 m ?d-1; ③ CW6為(wei)(wei)(wei)(wei)六層結構的(de)(de)(de)(de)人(ren)工濕地, 每層厚度(du)為(wei)(wei)(wei)(wei)0.1 m, 從表(biao)(biao)面到底部, 石(shi)英(ying)砂(sha)粒徑分別為(wei)(wei)(wei)(wei)≤0.6、0.4~0.6、0.6~0.9、0.9~2.0、2.0~4.0和4.0~6.0 mm, 對應的(de)(de)(de)(de)K值分別為(wei)(wei)(wei)(wei)26、36、43、55、75和176 m ?d-1. 3個(ge)人(ren)工濕地在相(xiang)同(tong)條件(jian)下運行處理校園生活污水(shui), 水(shui)力停留時間(HRT)均為(wei)(wei)(wei)(wei)1.5 d, 進水(shui)中水(shui)質參數(shu)如(ru)表(biao)(biao) 1所示.

1.2 采樣

實(shi)驗裝(zhuang)置建于2012年, 連續運(yun)行至(zhi)今.本實(shi)驗時間為2015年3~8月, 運(yun)行期間每(mei)周測定3個人工(gong)濕(shi)地(di)進(jin)出水(shui)(shui)(shui)水(shui)(shui)(shui)質(zhi)(國標法(fa)).于2015年7月分(fen)別從(cong)3個CWs距離進(jin)水(shui)(shui)(shui)口40 cm和160 cm處的A和B不同深度(du)(10, 30和50 cm)采集(ji)填料樣品(圖 1), 每(mei)個采樣點取3個樣品, 除去樣品中植物根或碎屑, 儲存在聚乙烯袋中, 然后立即(ji)轉移至(zhi)實(shi)驗室中進(jin)行后續分(fen)析.

1.3 DNA提取和高通量測序

采用Mo Bio公司(si)(si)(si)的(de)Power Soil DNA分(fen)(fen)離試劑(ji)盒提取18個(ge)樣品(pin)中的(de)DNA.采用1%的(de)瓊脂糖凝膠(jiao)電(dian)泳檢(jian)測提取的(de)細菌總DNA.對(dui)16S rRNA基因的(de)V3~V4高變區片(pian)段進(jin)(jin)行PCR擴(kuo)(kuo)增(zeng), 引物(wu)序(xu)(xu)列為515F(GTGCCAGCMGCCGCGGTAA)和(he)909R (CCCCGYCAATTCMTTTRAGT).擴(kuo)(kuo)增(zeng)條(tiao)件(jian)為：95℃預變性2 min, 接著進(jin)(jin)行25個(ge)循環, 包括95℃變性30 s, 55℃退(tui)火30 s, 72℃延伸30 s; 循環結束后(hou)72℃最終延伸5 min.每個(ge)樣本3個(ge)重復, 將同一樣本的(de)PCR產物(wu)混合后(hou)用2%瓊脂糖凝膠(jiao)電(dian)泳檢(jian)測, 全(quan)部樣品(pin)使用AxyPrepDNA凝膠(jiao)回收試劑(ji)盒(AXYGEN公司(si)(si)(si))切膠(jiao)回收PCR產物(wu), Tris_HCl洗脫; 2%瓊脂糖電(dian)泳檢(jian)測.隨后(hou)在生(sheng)工生(sheng)物(wu)工程(上(shang)海)股份有限(xian)公司(si)(si)(si)的(de)Illumina MiSeq平(ping)(ping)臺(tai)上(shang)進(jin)(jin)行高通量(liang)測序(xu)(xu)分(fen)(fen)析(xi), 得(de)到原(yuan)(yuan)始圖(tu)像(xiang)數據文(wen)件(jian)經CASAVA堿(jian)基識(shi)別(bie)分(fen)(fen)析(xi)轉(zhuan)化為原(yuan)(yuan)始測序(xu)(xu)序(xu)(xu)列, 結果以FASTQ文(wen)件(jian)格式儲存.利用Mothur對(dui)原(yuan)(yuan)始序(xu)(xu)列進(jin)(jin)行校正, 去除序(xu)(xu)列中的(de)嵌合體(ti), 得(de)到優化序(xu)(xu)列; 在97%的(de)相(xiang)似性水平(ping)(ping)上(shang)將序(xu)(xu)列劃分(fen)(fen)可操(cao)作分(fen)(fen)類單元(yuan)(operational taxonomic units, OTUs); 采用RDP Classifier貝葉斯算法對(dui)97%相(xiang)似水平(ping)(ping)的(de)OUT代表(biao)序(xu)(xu)列進(jin)(jin)行分(fen)(fen)類分(fen)(fen)析(xi), 并在各(ge)個(ge)分(fen)(fen)類水平(ping)(ping)上(shang)統(tong)計每個(ge)樣品(pin)的(de)群落組成(cheng)(cheng); 利用主成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)分(fen)(fen)析(xi)(PCA)分(fen)(fen)析(xi)各(ge)床體(ti)微生(sheng)物(wu)種群結構分(fen)(fen)布的(de)相(xiang)關性.

1.4 數據處理

實驗數據統計分析采用(yong)軟(ruan)件(jian)Excel 2010和SPSS 20.0進行水(shui)質分析和主成(cheng)分分析.

2 結(jie)果與討(tao)論(lun) 2.1 不(bu)同基質(zhi)結(jie)構人工濕地凈化效(xiao)果

CW1、CW3及(ji)CW6對COD、TN、NO3–N及(ji)NH4+-N的(de)(de)去除(chu)(chu)(chu)效果如圖(tu) 2所示, 從中可見, 3個系(xi)統對有機物(wu)、和含(han)氮污(wu)(wu)染物(wu)都有明顯的(de)(de)降(jiang)解梯度.其(qi)中CW6去除(chu)(chu)(chu)效率(lv)最高(gao), 其(qi)出水中以上4種(zhong)污(wu)(wu)染物(wu)的(de)(de)平(ping)均(jun)濃度分(fen)別為39、11、0.35及(ji)4.0 mg ?L-1, 相應(ying)的(de)(de)去除(chu)(chu)(chu)率(lv)為75%、67%、61%及(ji)83%.三者之(zhi)中, CW1的(de)(de)去除(chu)(chu)(chu)性能最差, 4種(zhong)污(wu)(wu)染物(wu)的(de)(de)平(ping)均(jun)去除(chu)(chu)(chu)率(lv)分(fen)別為39%、39%、34%及(ji)49%. CW3的(de)(de)凈化性能介于二者之(zhi)間, 4種(zhong)污(wu)(wu)染物(wu)的(de)(de)平(ping)均(jun)去除(chu)(chu)(chu)率(lv)分(fen)別為60%、55%、50%、72%.

圖(tu) 2 3個人(ren)工(gong)濕地中COD、TN、NO3–N及NH4+-N進出水濃度分(fen)析

由此可見, CW3和(he)(he)CW6系統(tong)中從床體表(biao)層(ceng)到底層(ceng)滲(shen)透(tou)系數(shu)逐漸升高(gao)(gao)的(de)(de)分層(ceng)結(jie)(jie)構可強化(hua)人(ren)工濕(shi)地對COD和(he)(he)含氮污(wu)染(ran)物的(de)(de)去除(chu)能(neng)力(li).其原因在于(yu)床體表(biao)層(ceng)的(de)(de)填料滲(shen)透(tou)系數(shu)較小, 能(neng)夠有效阻止越流(liu)、短流(liu)區(qu)(qu)的(de)(de)形成(cheng), 而床體底層(ceng)的(de)(de)填料粒徑較大, 滲(shen)透(tou)系數(shu)較高(gao)(gao), 能(neng)夠促進水流(liu)的(de)(de)通過, 從而避免該區(qu)(qu)域死區(qu)(qu)的(de)(de)形成(cheng).在此情況(kuang)下, 整個(ge)床體流(liu)場分布(bu)趨于(yu)均勻, 提(ti)高(gao)(gao)的(de)(de)水力(li)性能(neng)有利于(yu)充分發揮填料及其上附著的(de)(de)微(wei)生(sheng)物與污(wu)染(ran)物的(de)(de)接(jie)觸時(shi)間, 提(ti)高(gao)(gao)傳(chuan)質(zhi)效率, 并促進微(wei)生(sheng)物的(de)(de)功能(neng)分區(qu)(qu), 提(ti)高(gao)(gao)凈化(hua)性能(neng), 其結(jie)(jie)果(guo)與Bai等(deng)的(de)(de)研究(jiu)結(jie)(jie)果(guo)一致(zhi).

2.2 微生物群落結構(gou)

高(gao)通量測序(xu)方法(fa)分析的(de)(de)18個樣品(pin)中(zhong)(zhong)共得到(dao)945 864條(tiao)高(gao)質量序(xu)列(lie)和20 823個OTUs(按97%的(de)(de)相似(si)(si)度(du)(du)劃分), 涵蓋15門(men)(men)、50綱、115目、230科及(ji)(ji)910屬. 圖(tu) 3為微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)在門(men)(men)類水(shui)(shui)(shui)平(ping)上(shang)(shang)的(de)(de)OTUs分布.從中(zhong)(zhong)看出(chu), 3個人工濕地(di)中(zhong)(zhong), 變形菌(jun)(jun)門(men)(men)(Proteobacteria)和擬桿(gan)(gan)菌(jun)(jun)門(men)(men)(Bacteroidetes)的(de)(de)豐度(du)(du)相對(dui)較高(gao); 其次分別為綠(lv)彎菌(jun)(jun)門(men)(men)(Chloroflexi)、疣微(wei)(wei)(wei)菌(jun)(jun)門(men)(men)(Verrucomicrobial)、厚壁菌(jun)(jun)門(men)(men)(Firmicutes)、酸(suan)桿(gan)(gan)菌(jun)(jun)門(men)(men)(Acidobacteria)、浮霉菌(jun)(jun)門(men)(men)(Planctomycetes)和衣原體菌(jun)(jun)門(men)(men)(Chlamydiae), 它們分別占CW1總(zong)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)1%~10%之間; 綠(lv)菌(jun)(jun)門(men)(men)(Chlorobi)、硝化螺(luo)旋(xuan)菌(jun)(jun)門(men)(men)(Nitrospirae)、螺(luo)旋(xuan)體菌(jun)(jun)門(men)(men)(Spirochaetae)、放線菌(jun)(jun)門(men)(men)(Actinobacteria)、Synergistetes以及(ji)(ji)芽單胞(bao)菌(jun)(jun)門(men)(men)(Gemmatimonadetes)豐度(du)(du)極低(di)( < 1%).比較而(er)言(yan), CW6和CW3的(de)(de)OTUs數(shu)(shu)(shu)量略低(di)于(yu)(yu)CW1, 考慮原因主(zhu)要是由于(yu)(yu)在現(xian)有(you)污(wu)(wu)染物(wu)(wu)濃度(du)(du)下, 多(duo)層結構濕地(di)系統對(dui)污(wu)(wu)染物(wu)(wu)有(you)較好的(de)(de)凈(jing)化效果, 使(shi)得污(wu)(wu)染物(wu)(wu)濃度(du)(du)沿(yan)水(shui)(shui)(shui)流方向呈現(xian)出(chu)從高(gao)到(dao)低(di)的(de)(de)梯度(du)(du)代(dai)謝規律, 床體各處污(wu)(wu)染物(wu)(wu)種類相對(dui)簡單, 從而(er)有(you)利于(yu)(yu)不同功能微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)的(de)(de)分區(qu)富集, 使(shi)其種類趨(qu)于(yu)(yu)集中(zhong)(zhong).有(you)研究表(biao)明(ming), 在水(shui)(shui)(shui)平(ping)潛流人工濕地(di)中(zhong)(zhong), 微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)群落(luo)數(shu)(shu)(shu)量隨深度(du)(du)和排污(wu)(wu)口距離的(de)(de)增加而(er)減少.因而(er), 從床體中(zhong)(zhong)OUTs的(de)(de)分布上(shang)(shang)來看, 一般而(er)言(yan), 進水(shui)(shui)(shui)中(zhong)(zhong)較高(gao)的(de)(de)營(ying)養物(wu)(wu)質濃度(du)(du)及(ji)(ji)床體表(biao)層中(zhong)(zhong)豐富的(de)(de)溶解氧容易(yi)造(zao)成OTUs在數(shu)(shu)(shu)量上(shang)(shang)進水(shui)(shui)(shui)端(duan)(duan)高(gao)于(yu)(yu)出(chu)水(shui)(shui)(shui)端(duan)(duan), 床體表(biao)層高(gao)于(yu)(yu)底(di)層的(de)(de)趨(qu)勢, 如圖(tu) 3(b)、3(c)所示, 這與(yu)Button等的(de)(de)研究結果相似(si)(si).但對(dui)比分析發現(xian)CW1在分布上(shang)(shang)[圖(tu) 3(a)], 出(chu)水(shui)(shui)(shui)端(duan)(duan)OTUs數(shu)(shu)(shu)量高(gao)于(yu)(yu)進水(shui)(shui)(shui), 表(biao)明(ming)該系統對(dui)污(wu)(wu)染物(wu)(wu)凈(jing)化性(xing)能有(you)限, 較多(duo)的(de)(de)污(wu)(wu)染物(wu)(wu)到(dao)達(da)出(chu)水(shui)(shui)(shui)端(duan)(duan), 造(zao)成出(chu)水(shui)(shui)(shui)端(duan)(duan)的(de)(de)OTUs數(shu)(shu)(shu)量較高(gao).

圖 3 3個人工濕地中(zhong)微生物OTUs分布(bu)

從微生物(wu)數量及所占比(bi)例上來看(圖(tu) 4和(he)圖(tu) 5), CW1、CW3及CW6中樣品的(de)平均(jun)序(xu)列數分別為(wei)318 125、315 769及302 462.變(bian)形菌門(men)(men)(men)(Proteobacteria)和(he)擬桿(gan)菌門(men)(men)(men)(Bacteroidetes)作(zuo)為(wei)3個人工(gong)濕地系統(tong)中的(de)主要菌門(men)(men)(men), 其(qi)(qi)在(zai)CW1中所占比(bi)例分別為(wei)61.54%及19.56%, 在(zai)CW3中分別占66.76%和(he)13.27%, CW6中分別占66.06%和(he)12.86%.變(bian)形菌門(men)(men)(men)(Proteobacteria)作(zuo)為(wei)3個CWs中最為(wei)豐(feng)富的(de)菌門(men)(men)(men), 其(qi)(qi)多為(wei)專性或(huo)兼性厭氧代(dai)謝.之前(qian)的(de)相關(guan)研究表明, 變(bian)形菌門(men)(men)(men)(Proteobacteria)中包含(han)(han)許多與有(you)機物(wu)和(he)無機物(wu)代(dai)謝(如：碳循環(huan), 氮和(he)硫循環(huan))有(you)關(guan)的(de)菌屬, 并且在(zai)人工(gong)濕地中廣泛分布.因(yin)而推測CW3和(he)CW6對含(han)(han)氮污(wu)染物(wu)的(de)去除率(lv)高于CW1可能與該(gai)系統(tong)中較豐(feng)富的(de)變(bian)形菌門(men)(men)(men)(Proteobacteria)有(you)關(guan).

圖 4 3個(ge)人工濕(shi)地中18個(ge)樣點的序列(lie)數量及微生(sheng)物群落分(fen)布

圖 5 3個人工濕(shi)地(di)中每個菌門所占(zhan)比例

人工(gong)濕(shi)地中含氮污染(ran)物的(de)(de)去除(chu)機理主(zhu)要(yao)有(you)硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)作(zuo)(zuo)用(yong)、反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)作(zuo)(zuo)用(yong)以及氨(an)(an)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)作(zuo)(zuo)用(yong)等.與之相關的(de)(de)微生物主(zhu)要(yao)有(you)氨(an)(an)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)真菌(jun)(jun)/細(xi)(xi)菌(jun)(jun)、硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(Nitrifying bacteria)和(he)反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)(Denitrifying bacteria).通過分析(xi)發現, 變形菌(jun)(jun)門(Proteobacteria)中包(bao)含硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)菌(jun)(jun)屬(shu)(shu)和(he)絕大多數(shu)的(de)(de)反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)菌(jun)(jun)屬(shu)(shu), 硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)菌(jun)(jun)屬(shu)(shu)有(you)Nitrosococcus和(he)Nitrosomonas, 硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)菌(jun)(jun)屬(shu)(shu)序列數(shu)在(zai)3個(ge)(ge)系統(CW1、CW3和(he)CW6) 中所(suo)占比例分別(bie)為(wei)0.25%、0.26%和(he)0.51%(圖 6); 而反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)菌(jun)(jun)屬(shu)(shu)主(zhu)要(yao)包(bao)括(kuo)Denitratisoma、Pseudomonas、Thauera、Comamonas、Azoarcus、Acidovorax、Rhizobium、Rhodobacter、Hydrogenophaga、Arcobacter、Thiobacillus、Sulfurimonas和(he)Paracoccus, 3個(ge)(ge)系統中反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)菌(jun)(jun)屬(shu)(shu)序列數(shu)所(suo)占比例分別(bie)為(wei)12.5%、14.7%及19.1%(圖 6), 它們對3個(ge)(ge)系統中含氮污染(ran)物的(de)(de)降解起(qi)決定性作(zuo)(zuo)用(yong).如圖 6所(suo)示, CW6中硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)的(de)(de)豐度(du)比例遠(yuan)遠(yuan)高于CW1和(he)CW3, 這可能是CW6中氨(an)(an)氮去除(chu)率(83%)高于CW1(49%)和(he)CW3(72%)的(de)(de)主(zhu)要(yao)原因.此外(wai), 3個(ge)(ge)系統中反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)菌(jun)(jun)屬(shu)(shu)豐度(du)均高于硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)菌(jun)(jun)屬(shu)(shu)說明(ming)硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)作(zuo)(zuo)用(yong)可能是制約該系統除(chu)氮效率的(de)(de)關鍵(jian)因素, 這可能是由于水平潛流人工(gong)濕(shi)地中的(de)(de)缺氧(yang)(yang)(yang)或厭氧(yang)(yang)(yang)環境(jing)更適合反(fan)(fan)硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)生存所(suo)致, 此結(jie)果(guo)與Vymazal的(de)(de)研究結(jie)果(guo)一致.

圖 6 3個(ge)人工濕(shi)地中屬水平的菌屬豐(feng)度(du)

2.3 變形菌(jun)門(Proteobacteria)屬(shu)水平主成分分析

鑒于(yu)3個(ge)系統中變形(xing)菌(jun)門(Proteobacteria)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)含(han)(han)量(liang)較(jiao)(jiao)高, 存在(zai)(zai)差(cha)異(yi), 并(bing)且它與污染物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)去除(chu)密(mi)切相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan), 因而(er)對其主(zhu)(zhu)要(yao)菌(jun)屬群(qun)(qun)進行主(zhu)(zhu)成分(fen)(fen)(fen)分(fen)(fen)(fen)析.如(ru)圖 7所(suo)示, 為(wei)3個(ge)人工濕地(di)中變形(xing)菌(jun)門(Proteobacteria)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)屬水(shui)(shui)平PCA分(fen)(fen)(fen)析. PC1和(he)(he)PC2分(fen)(fen)(fen)別占變異(yi)總數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)34.52%和(he)(he)17.93%, 占PC1比重(zhong)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)3種(zhong)主(zhu)(zhu)成分(fen)(fen)(fen)分(fen)(fen)(fen)別為(wei)Zoogloea(90.5%, 正相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan))、Thiobacillus(89.2%, 正相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan))以(yi)及Aquabacterium(86.9%, 正相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan)), PC2的(de)(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)3種(zhong)菌(jun)屬分(fen)(fen)(fen)別為(wei)Bdellovibrio(87.6%, 正相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan))、Thauera(77.3%, 正相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan))以(yi)及Azospira(59.4%, 正相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan)).其結(jie)果顯(xian)示, 3個(ge)系統在(zai)(zai)變形(xing)菌(jun)門(Proteobacteria)屬水(shui)(shui)平上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微生物(wu)(wu)群(qun)(qun)落分(fen)(fen)(fen)布無顯(xian)著(zhu)(zhu)差(cha)異(yi), 而(er)就各(ge)濕地(di)進出(chu)(chu)水(shui)(shui)端(duan)而(er)言, CW3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)進水(shui)(shui)端(duan)(A)和(he)(he)出(chu)(chu)水(shui)(shui)端(duan)(B)及CW6的(de)(de)(de)(de)(de)(de)進水(shui)(shui)端(duan)(A)和(he)(he)出(chu)(chu)水(shui)(shui)端(duan)(B)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)群(qun)(qun)落結(jie)構(gou)分(fen)(fen)(fen)別在(zai)(zai)PC1水(shui)(shui)平上(shang)均呈現顯(xian)著(zhu)(zhu)差(cha)異(yi).樣(yang)點(dian)(dian)(dian)A受Azospira以(yi)及Denitratisoma影(ying)響較(jiao)(jiao)大, 而(er)樣(yang)點(dian)(dian)(dian)B則(ze)(ze)(ze)更多地(di)被(bei)Zoogloea及Thiobacillus影(ying)響. Zoogloea是一種(zhong)有(you)機(ji)物(wu)(wu)代(dai)(dai)謝(xie)菌(jun)屬, Thiobacillus則(ze)(ze)(ze)是參與硫代(dai)(dai)謝(xie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)自養型反(fan)硝(xiao)化菌(jun)屬, 而(er)Azospira和(he)(he)Denitratisoma則(ze)(ze)(ze)是2種(zhong)與氮(dan)(dan)代(dai)(dai)謝(xie)相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)異(yi)養反(fan)硝(xiao)化菌(jun)屬, 它們(men)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)存在(zai)(zai)依(yi)賴于(yu)有(you)機(ji)物(wu)(wu)和(he)(he)硝(xiao)酸鹽的(de)(de)(de)(de)(de)(de)濃度(du)大小. CW3和(he)(he)CW6中進出(chu)(chu)水(shui)(shui)端(duan)較(jiao)(jiao)為(wei)明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微生物(wu)(wu)群(qun)(qun)落代(dai)(dai)謝(xie)差(cha)異(yi)顯(xian)示出(chu)(chu)含(han)(han)氮(dan)(dan)污染物(wu)(wu)(如(ru)NO3–N及NH4+-N)和(he)(he)有(you)機(ji)物(wu)(wu)在(zai)(zai)該(gai)系統不(bu)同床體區域存在(zai)(zai)一定降解梯度(du), 從(cong)而(er)導致(zhi)(zhi)微生物(wu)(wu)功能的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)區富集(ji)(ji).比較(jiao)(jiao)而(er)言, CW1的(de)(de)(de)(de)(de)(de)樣(yang)品點(dian)(dian)(dian)主(zhu)(zhu)要(yao)集(ji)(ji)中在(zai)(zai)原點(dian)(dian)(dian)附近(jin), 各(ge)樣(yang)點(dian)(dian)(dian)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微生物(wu)(wu)群(qun)(qun)落結(jie)構(gou)無顯(xian)著(zhu)(zhu)性差(cha)異(yi), 因而(er)出(chu)(chu)現3個(ge)系統間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)凈化差(cha)異(yi).這與多層(ceng)結(jie)構(gou)對含(han)(han)氮(dan)(dan)污染物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)凈化效率高于(yu)單層(ceng)結(jie)果一致(zhi)(zhi).

圖 7 3個(ge)人工濕地中(zhong)變形菌門(men)(Proteobacteria)中(zhong)屬水平的主(zhu)成分分析(xi)

2.4 物種豐(feng)度熱圖(tu)

應用Bray-Curtis距離(li)算法和(he)(he)Complete聚(ju)類法, 將(jiang)3個(ge)系統中(zhong)(zhong)屬水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)上主要菌群中(zhong)(zhong)的高豐(feng)度(du)(du)(du)和(he)(he)低(di)(di)豐(feng)度(du)(du)(du)的物(wu)種分(fen)(fen)(fen)塊聚(ju)集(ji), 通(tong)過顏(yan)色梯度(du)(du)(du)及(ji)相(xiang)似程度(du)(du)(du)來反(fan)映(ying)多個(ge)樣本在(zai)各分(fen)(fen)(fen)類水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping)上群落組成的相(xiang)似性(xing)和(he)(he)差異性(xing).如圖 8所示, 藍色相(xiang)似度(du)(du)(du)最差, 紅色相(xiang)似度(du)(du)(du)最高.結(jie)(jie)果表明, 最高相(xiang)似度(du)(du)(du)為(wei)18.78%, 整(zheng)體相(xiang)似度(du)(du)(du)較低(di)(di). Denitratisoma、Azospira、Pedosphaera和(he)(he)Thiobacillus均是反(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)菌屬, 其(qi)(qi)中(zhong)(zhong)Denitratisoma、Azospira、Pedosphaera屬于(yu)異養(yang)型, Thiobacillus是自養(yang)型, 它們的生存代謝依賴有(you)機物(wu)濃度(du)(du)(du)和(he)(he)硝(xiao)(xiao)酸鹽濃度(du)(du)(du).從圖 8中(zhong)(zhong)可以看(kan)出, 就(jiu)整(zheng)體而言, CW3和(he)(he)CW6中(zhong)(zhong)Denitratisoma、Azospira和(he)(he)Thiobacillus等反(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)菌屬的豐(feng)度(du)(du)(du)高于(yu)CW1, 這有(you)助于(yu)提高CW3和(he)(he)CW6系統中(zhong)(zhong)硝(xiao)(xiao)態(tai)(tai)氮的去除.而對(dui)于(yu)單個(ge)系統, 3種菌屬的豐(feng)度(du)(du)(du)差異分(fen)(fen)(fen)別體現在(zai)CW3和(he)(he)CW6的進(jin)水(shui)(shui)(shui)端(duan)采樣點(dian)(A)和(he)(he)出水(shui)(shui)(shui)端(duan)采樣點(dian)(B), 其(qi)(qi)原因可能是由于(yu)進(jin)水(shui)(shui)(shui)中(zhong)(zhong)含(han)有(you)豐(feng)富的有(you)機物(wu)和(he)(he)硝(xiao)(xiao)態(tai)(tai)氮使得異養(yang)反(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)菌屬(Denitratisoma和(he)(he)Azospira)富集(ji)在(zai)CW3和(he)(he)CW6進(jin)水(shui)(shui)(shui)端(duan), 相(xiang)比(bi)之下, 由于(yu)CW3和(he)(he)CW6對(dui)有(you)機物(wu)的高效降解使得其(qi)(qi)出水(shui)(shui)(shui)端(duan)以自養(yang)型反(fan)硝(xiao)(xiao)化(hua)菌屬(Thiobacillus)為(wei)主.此外, CW1的6個(ge)采樣點(dian)基本處(chu)于(yu)同一(yi)個(ge)豐(feng)度(du)(du)(du)水(shui)(shui)(shui)平(ping)(ping), 其(qi)(qi)結(jie)(jie)果與主成分(fen)(fen)(fen)分(fen)(fen)(fen)析結(jie)(jie)果一(yi)致.

3 結論

(1) 從床(chuang)體(ti)表(biao)層到(dao)底層滲(shen)透系數(shu)逐漸升高(gao)的(de)多層結構(gou)潛流人工(gong)濕地對COD、TN、NO3–N及NH4+-N的(de)去除效果相較單層結構(gou)有顯著提高(gao).

(2) 多層(ceng)(ceng)結(jie)構人工濕(shi)地床體(ti)中微生物種群相對集中, 其OTUs數量(liang)略低于單層(ceng)(ceng)結(jie)構系(xi)統, 而(er)變形菌(jun)(jun)門(Proteobacteria)作為優勢菌(jun)(jun)門, 所占比(bi)例顯著高于單層(ceng)(ceng)結(jie)構, 且其屬(shu)水(shui)平上的(de)硝化(hua)細(xi)菌(jun)(jun)與反硝化(hua)細(xi)菌(jun)(jun)在數量(liang)上均高于單層(ceng)(ceng)結(jie)構濕(shi)地.

(3) 主(zhu)成分分析和豐(feng)度熱圖分析結(jie)(jie)(jie)果顯示, 單層(ceng)結(jie)(jie)(jie)構與多層(ceng)結(jie)(jie)(jie)構人工濕(shi)地的微生物(wu)(wu)的種(zhong)群結(jie)(jie)(jie)構在屬水平上(shang)無(wu)顯著差異, 但多層(ceng)結(jie)(jie)(jie)構系統(tong)(tong)(CW3、CW6) 進出水間差異顯著, 主(zhu)要體現在變形(xing)菌門(Proteobacteria)的屬水平上(shang), 從(cong)而實現多層(ceng)結(jie)(jie)(jie)構系統(tong)(tong)中污染(ran)物(wu)(wu)的高(gao)效降解.