微塑料暴露下有/無植物人工濕地脫氮性能的對比

黃 娟 李 瑞 馬溢軒 韓庭葦 曹美芳 錢秀雯

(東南大學土木工程學院, 南京 211189)

環境中的塑料垃圾經紫外線輻射、機械磨損和生物降解等過程后,分解破碎形成小顆粒的微塑料(粒徑小于 5 mm),對生態系統和人類健康造成威脅[1].微塑料經地表徑流、污水排放等方式進入污水處理系統[2],而傳統污水廠中機械攪拌和曝氣等流程加速了微塑料的破碎,增加了其向自然水體泄漏的風險,太湖中檢測出全球淡水湖泊浮游生物網中微塑料的最高水平,平均豐度為 0.01×106～6.8×106個/km2[3].人工濕地可以通過基質和植物的物理攔截有效去除微塑料[4],但受限于分離和定量的技術手段,植物種植在人工濕地去除微塑料中的作用鮮有報道.

污水中氮素主要通過微生物驅動的硝化和反硝化過程去除,許多研究報道了微塑料對序批式活性污泥工藝(SBR)[5]、好氧顆粒污泥[6]、膜生物反應器[7]中硝化和反硝化細菌的毒性作用.與活性污泥工藝相比,人工濕地不僅可以通過植物吸收和基質吸附加強氮素的去除,還可以通過植物調節刺激微生物活性,促進氮素在濕地中的生物降解過程[8].因此,當人工濕地面臨微塑料污染脅迫時,探究有/無植物人工濕地的脫氮性能和微生物群落差異對理解濕地生態功能尤為重要.

研究表明,植物具有獨特的生長和保護機制,受污染物脅迫時會產生適應性生理調節,甚至出現枯萎死亡的現象[9],直接影響濕地脫氮性能.同時,由于植物的生長狀況、泌氧能力和根系分泌物組成影響著濕地微環境,微塑料對植物的脅迫可能會影響氮轉化功能菌的組成和分布,從而間接導致濕地脫氮性能的變化.因此,探究微塑料短期和長期暴露下濕地植物生理狀況的變化和調控,是闡明濕地脫氮影響機制的重要信息.

本試驗選用聚苯乙烯微塑料(PS MPs)作為研究對象,黃菖蒲為試驗植物,構建了黃菖蒲濕地和無植物濕地,旨在探究PS MPs短期和長期暴露下,有/無植物人工濕地微塑料去除和脫氮性能的差異, 對植物光系統和抗氧化系統的影響, 以及有/無植物濕地微生物群落結構和脫氮功能細菌豐度的差異.

1 材料與方法

1.1 試驗材料和合成污水

本試驗采用的PS MPs分散液購自天津倍思樂色譜技術開發中心,不含添加劑或塑化劑等雜質成分.使用動態光散射儀(DLS)和傅里葉變換紅外吸收光譜儀(FTIR)對微塑料聚合物粒徑和類型進行表征,如圖1所示. PS MPs樣品的平均粒徑為4～6 μm,分散性良好,無明顯聚集,且FTIR譜圖與聚苯乙烯結構一致.

(a) 粒徑分布

(b) FTIR圖

1.2 人工濕地裝置搭建和運行

在實驗室搭建無植物濕地(CW-U)和黃菖蒲濕地(CW-P)2組垂直流人工濕地,如圖2所示.裝置主體采用有機玻璃制作,內部由上至下填充4層粒徑不同的礫石,每個裝置孔隙體積為5 L.合成污水以間歇流的方式投加到人工濕地中,以水力停留時間(HRT)72 h為一個周期,連續培養180 d,直至營養物質去除率不隨時間發生明顯波動,即認為裝置達到穩定去除,其中CW-U的 TN、COD和TP平均去除率分別穩定在57.27%、92.09 %和 66.07%,CW-P的TN、COD、TP平均去除率分別穩定在64.65%、66.07%和79.46%.然后向2組濕地中加入含有PS MPs的廢水.

圖2 人工濕地裝置示意圖(單位:cm)

1.3 樣品采集和測定

在PS MPs短期和長期暴露階段,分別從黃菖蒲濕地中采集生長狀態相同的葉片,使用南京建成生物工程研究所的試劑盒測定植物的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量,并參照Lichtenthaler[16]的方法測定葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)、總葉綠素(total Chl)和類胡蘿卜素(Car)含量.

試驗結束時,分別從2組裝置的砂石層的相同深度范圍內(10～20 cm深度處)采集3個不同點位的基質樣品,將3個樣品混合均勻后進行16s rRNA測序,探究組間微生物群落差異.

1.4 數據分析

采用SPSS 28.0統計軟件,通過配對T檢驗對2組濕地的水質差異進行統計學分析;通過皮爾遜相關性分析確定出水中各氮素組成對TN去除的貢獻.

2 結果與討論

2.1 PS MPs去除效果對比

本試驗對PS MPs短期和長期暴露下2組濕地出水中的PS MPs濃度進行了精確定量,如表1所示.CW-U和CW-P中PS MPs的出水濃度相近,短期和長期暴露下去除率均超過99.80%.結果表明,2組人工濕地均可實現PS MPs的高效去除,這可能是因為基質和生物膜吸附是濕地去除微塑料的主要機制[17].PS MPs出水濃度隨暴露時間的延長增加了228.40%～241.13%,說明PS MPs在人工濕地中的廣泛積累導致基質生物膜和植物根系吸附位點趨于飽和,長期暴露時有泄漏風險.同時,濕地內部截留的大量微塑料可能會對濕地微生物和植物產生不利影響,亟須進一步探討.

表1 兩組人工濕地各階段PS MPs出水濃度

2.2 濕地脫氮性能的差異

(a) TN

2.3 黃菖蒲的生理響應

植物的生長狀況影響著人工濕地脫氮性能[21],而葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量是評估逆境條件下植物光合能力和生長狀況的重要指標[22].如圖4所示,PS MPs短期暴露時,黃菖蒲中的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素的質量分數分別為2.10×10-3、0.89×10-3和2.99×10-3,長期暴露時分別降低了26.15%、13.92%和22.51%;類胡蘿卜素質量分數在短期暴露時為0.55×10-3,長期暴露時下降了16.22%.結果表明,與PS MPs短期暴露相比,PS MPs長期暴露可能使得黃菖蒲的光系統和葉綠體結構發生了進一步損傷,在一定程度上對植物的光合作用和生長發育產生不利影響,從而抑制了其在濕地中的生態功能,這與CW-P在PS MPs暴露后期脫氮性能的下降相一致.

圖4 黃菖蒲各階段光合色素含量

植物體內的抗氧化酶活性反映了植物在逆境條件下的功能健康,也影響著濕地的脫氮性能[23].如圖5所示,PS MPs短期暴露下黃菖蒲體內超氧化物歧化酶(SOD)活性高于長期暴露,說明微塑料急性脅迫誘導過量活性氧自由基(ROS)產生,細胞發生氧化應激[24].同時,長期暴露下黃菖蒲體內過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)的活性分別增加了5.06%和13.25%,說明POD和CAT的活性被激發,表現出協同清除自由基的能力.丙二醛(MDA)是膜質過氧化的最終產物,其含量可以反映植物對逆境條件的響應強弱[25],PS MPs長期暴露下黃菖蒲體內MDA的質量分數下降了45.75%,表明植物細胞逐漸適應逆境條件,但由于細胞膜質過氧化程度嚴重,膜結構發生不可逆的損傷,其生理系統功能仍難以恢復.結果表明,PS MPs長期暴露損傷了植物的抗氧化系統,從而不利于濕地的脫氮性能.

(a) SOD活性

(b) POD活性

(c) CAT活性

(d) MDA含量

2.4 微生物群落結構的差異

采用高通量測序比較了PS MPs短期和長期暴露下2組濕地基質微生物群落結構的差異.如表2所示,所有微生物樣品的Good’s coverage指數均大于99.50%,表明測序深度足夠,測序結果合理. Observed species和Chao1均隨著PS MPs暴露時間的延長出現了不同程度的下降,但CW-P始終高于CW-U,表明黃菖蒲濕地可以有效抵抗PS MPs脅迫,保持更高的微生物豐度.同時,CW-P中Shannon指數和均勻度指數(Pielou_e)也始終高于CW-U,Simpson指數始終低于CW-U,表明黃菖蒲對微生物多樣性和均勻度具有積極貢獻.如圖6所示,4組樣品中擴增序列變體(ASVs)總數為2 080個,CW-U和CW-P在2個階段的共享ASVs分別為141和185個,僅占總數的6.78%和8.89%,說明PS MPs短期和長期暴露下,2組濕地微生物群落結構具有明顯差異.

表2 人工濕地各階段微生物α-多樣性

圖6 兩組濕地各階段微生物群落ASVs總數的韋恩圖

圖7 兩組濕地各階段門水平上微生物的相對豐度組成

2.5 脫氮功能菌屬的差異

圖8 兩組濕地各階段脫氮功能菌屬相對豐度

對于反硝化而言, PS MPs短期和長期暴露下,CW-P中反硝化菌屬的整體相對豐度較CW-U分別提高了71.33%和15.44%,但在分布上有所差異.動膠菌屬(Zoogloea)是2組濕地中占比最高的反硝化菌屬,與CW-U相比,其在CW-P中各階段的相對豐度分別下降了88.91%和101.08%.類似地,脫氯單胞菌屬(Dechloromonas)和固氮螺菌屬(Azospira)相對豐度在CW-P中分別降低了25.58%～67.59%和15.22%～ 33.49%.而中村菌屬(Nakamurella)、嗜酸菌屬(Acidovorax)、固氮弧菌屬(Azoarcus)、慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)和沙壤土桿菌屬(Ramlibacter)的相對豐度在CW-P中分別增加了118.12%～624.16%、7.31%～24.36%、168.68%～221.65%、7.31%～38.36%和9.74%～10.35%.結果表明,黃菖蒲對PS MPs暴露下濕地中反硝化細菌的影響較為復雜,植物一方面通過根系分泌物為微生物提供可利用的碳源,刺激異養反硝化菌的生長;另一方面,植物的根系泌氧作用使得濕地環境中溶解氧濃度升高,抑制了部分反硝化菌的生長.

3 結論

1) 黃菖蒲濕地和無植物濕地均可有效去除PS MPs,出水濃度均隨暴露時間的延長而增加.

3) PS MPs的長期暴露對黃菖蒲的光系統和抗氧化系統造成損傷,光合色素含量(葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素)和SOD活性明顯下降.

4) PS MPs短期和長期暴露時,黃菖蒲濕地的微生物物種豐度、多樣性和均勻度更高,2組濕地微生物群落結構存在明顯差異.

5) 黃菖蒲濕地中硝化細菌和反硝化細菌的總體豐度更高,且在菌屬分布上有所差異.