香蒲浮床有機物去除能力及根表微生物群落結構

陳志遠, 種云霄, 程冰冰, 張美玲, 吳學深, 林 碩

華南農業大學資源環境學院環境科學與工程系， 廣東高校污水生態處理與水體修復工程技術研究中心， 廣東 廣州 510642

香蒲浮床有機物去除能力及根表微生物群落結構

陳志遠, 種云霄*, 程冰冰, 張美玲, 吳學深, 林 碩

華南農業大學資源環境學院環境科學與工程系， 廣東高校污水生態處理與水體修復工程技術研究中心， 廣東 廣州 510642

為探討植物浮床有機物去除能力和根表細菌群落組成特點，選擇香蒲為研究對象，通過對根系誘導擴增，構建根系覆蓋度(遮光率)分別為50%、70%和90%的香蒲浮床系統，并對其CODCr去除能力及根系微生物群落結構開展系統研究. 結果表明，3個覆蓋度系統的根系體積分別達到1.74、3.48、4.30 Lm2. 經過適應馴化，3個系統都可以有效地對人工模擬生活污水有機物進行去除，CODCr的單位面積負荷平均去除速率分別為8.28、8.78、13.46 g(m2·d)；系統根系體積增加或加入一定體積的軟性纖維填料都可以提高有機物去除能力. 基于各系統根系和填料表面微生物樣品高通量測序結果顯示，根系與填料表面細菌多樣性及組成都有較大差異，根系細菌豐度及多樣性均小于填料. 但在門水平上，根系和填料表面細菌優勢類群相同，前2個優勢菌門為變形菌門(Proteobacteria)和厚壁菌門(Firmicutes). 根系表面細菌群落優勢菌種類(OTUs)較單一，各系統根表微生物僅由1～3個相對豐度在10%以上種類構成了優勢種群，并且根系和填料優勢種類具有較大的不同. 根系優勢種類為Enterobacter、Acinetobacter、Clostridium屬，代表序列OTUs2、OTUs4、和OTUs8，分別與Enterobacterludwigii、Acinetobactersoli、Clostridiumdiolis有著100%的匹配度；填料優勢種為Bacillus、Pseudomonas屬，代表序列OTUs3和OTUs11分別與BacillusfuniculusNAF001、Pseudomonasargentinensis具有非常高的相似度. 研究顯示，根系經過誘導擴增的植物浮床系統對有機物具有較高的去除能力，與常規顆粒填料人工濕地相當，但根表微生物群落多樣性較低，優勢菌較單一，抗沖擊負荷潛在能力較低.

植物浮床; 香蒲; CODCr; 細菌多樣性; 高通量測序

植物浮床，也被稱為懸浮人工濕地(floating constructed wetland)，是將濕地植物懸浮栽培于水中形成的污水處理系統，植物根或根狀莖部分淹沒于水下，莖葉挺立在水面以上，通過人工固定措施使整個植株懸浮生長于水中[1]. 相比使用顆粒填料的傳統人工濕地，這種系統構建使用更加靈活，在污水處理及污染水體修復中被廣泛研究應用[2-3].

因為浮床植物快速生長可以大量吸收利用水中氮磷，所以氮磷的去除被認為是植物浮床主要的污水處理功能[1-2]. 與氮磷不同，有機物基本上不能被植物吸收利用，因此，有機物的去除在植物浮床中較少被關注. 實際上，通過植物根表附著的微生物代謝轉化，植物浮床對污水有機物也具有去除能力[3-4]，這種能力與根系生物量和附著微生物群落組成關系密切. 除了為微生物提供附著空間外，植物根系還可以通過分泌氧及次生代謝物等輔助微生物的代謝[5-6]，因此根系生物量的多少將會影響附著微生物的量，進而影響有機物去除能力，是衡量植物浮床有機物去除能力的關鍵指標. 此外，作為微生物的附著載體，具有代謝活性的根系也不同于污水處理生物膜技術常用的無機填料，其上附著的微生物群落結構可能具有獨特之處. 但目前，對于植物浮床，無論是根系生物量與有機物去除的關系還是其微生物組成特點都還缺少系統的研究.

該研究以具有龐大根系的典型濕地植物——寬葉香蒲(Typhalatifolia)為研究對象，通過對其根系誘導擴增，構建不同根系生物量的香蒲浮床系統，首先分析探討根系生物量對其有機物去除能力影響，在此基礎上進一步分析其微生物群落結構組成特性，以期為深入揭示植物浮床有機物去除機制提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗用寬葉香蒲采自華南農業大學校園濕地，采回后將根部底泥清洗干凈，放入Hoagland培養液[7]中進行生物量擴增.

試驗裝置由9個高45 cm左右、面積0.46 m2的大塑料箱和帶竹竿的水泥樁組成(起固定作用)，箱子分3組，每組用于培養不同根系生物量的系統. 香蒲直立莖通過纖維繩綁縛在水泥樁的竹竿上，橫走根莖及上面分生的毛根懸浮在水中(見圖1)，進而形成懸浮生長的香蒲浮床系統.

圖1 香蒲浮床示意Fig.1 The Schematic diagram of cattail aquaculture system

1.2 試驗方法

1.2.1 根系擴增

在各箱中均勻固定10株生長較一致的香蒲，參考植物無土栽培中經典的根系誘導方法[7]，加入低磷〔ρ(TP)低于0.01 mgL〕誘導營養液(配方見表1)，水位控制在根系與水面剛接觸為止，根系下保持1～2 cm的水深，擴增根系生物量不同的香蒲浮床系統.

表1 香蒲根系誘導培養的營養液組成

擴增過程中，為避免頻繁測定對根的損傷，根系生物量變化用覆蓋度來反映. 覆蓋度用照度計快速測量，即測定根系下部靠近箱底的光照強度，將無植物系統的光照強度定為100%，則覆蓋度為0，由于根系生長，覆蓋度上升，透光度降低，如光照強度變為無植物系統的70%，則覆蓋度為30%. 將3組系統的根系生物量擴增目標分別設定為50%、70%、90%三個覆蓋度系統，達到目標后，利用排水法測算不同覆蓋度根系的體積. 同時記錄測量每個箱植物生物量總體濕質量和水面以上株數.

1.2.2 污水處理能力

試驗用的污水模擬生活污水組成，采用化學試劑人工配制，ρ(CODCr)為100～120 mg/L，ρ(NH3-N)為10～15 mg/L，ρ(TP)為3～5 mg/L，ρ(TN)為20 mg/L，加入少量(約100 mL)污水處理廠污泥提供微生物種源.

污水處理采用序批式，每個系統一次性泵入15 L污水，各系統同時加入，水位控制在30～40 cm，剛好淹沒根系，零散裸露的水面覆蓋遮陽網，遮光避免藻類生長. 試驗初期幾批污水，系統微生物處于增長過程中，CODCr去除較慢，處理時間控制為48 h，并分別在0、5、10、24、36、48 h抽取根系下部20 mL水樣測定ρ(CODCr)，期間ρ(CODCr)降至50 mg/L后，停止該批污水處理，并更換新一批污水. 處理過6批水以后，各系統在24 h內的CODCr去除率已比較穩定，因此以24 h內CODCr的去除率和單位面積負荷平均去除速率〔即單位時間單位面積CODCr去除量，g/(m2·d)〕作為各系統有機物去除能力的指標；以每個系統統計連續4批污水的CODCr去除數率平均值作為該系統有機物去除率，在此基礎上再統計計算每個覆蓋度下3個重復系統的平均去除率. 每批污水處理過程中，水樣采集同時利用便攜式水質測定儀(上海雷磁)測定ρ(DO)、pH和Eh(氧化還原電位)，測定儀探頭深入根系下部，取10 min后的穩定數值.

此外，各系統CODCr去除率穩定后，向50%、70%覆蓋度系統加入不同體積的軟性塑料纖維填料(見圖2)，添加量分別為50%、70%覆蓋度系統根系體積與90%覆蓋度系統中根系體積差值，即在這兩個系統中利用同等體積的無機填料替代根系作為微生物附著載體，然后繼續進行污水序批式處理，直至加入填料后系統CODCr去除24 h內也達到穩定，同樣采集連續四批污水處理數據進行統計處理.

圖2 軟性纖維填料Fig.2 The photo of soft fiber filler

浮床根系體積擴增和污水處理均在華南農業大學校內試驗基地的網室(帶頂棚四周通風)內進行，光照溫度均為自然條件，試驗季節為7—10月.

1.3 微生物群落結構組成分析

在污水處理結束后，在各覆蓋度系統的3個重復組隨機選取植物根系與填料各15～20 mL樣品〔分別記為R50(50%覆蓋系統根系樣品)、R70(70%覆蓋系統根系樣品)、R90(90%覆蓋系統根系樣品)、P50(50%覆蓋系統填料樣品)、P70(70%覆蓋系統填料樣品)〕，混合后稱量，放入50 mL無菌水中，振蕩分離表面附著的細菌，獲得菌液用于微生物群落結構組成分析.

微生物群落結構組成通過高通量測序進行分析，主要過程：商業試劑盒PowerSoilTM, MO BIO提取樣品總DNA后，采用可對細菌16S rRNA V4區擴增的515F和806R引物進行PCR擴增，PCR產物采用IIluminaMiseq PE(paired end)250 bp進行多次測序，各樣品測序數量達到接近飽和后，對所獲得測序序列進行組裝處理拼成完整片段，按97%序列相似度水平上劃分OTUs(operational taxonomic units)，每個OTUs代表序列和已知的16S rRNA通過與細菌分類基因數據庫(RDP，EzTaxon等)[8]比對，進行OTUs分類注釋，盡可能將其注釋到種屬水平，并計算不同分類等級的相對豐度. 每個樣品序列被隨機挑取用來計算Alpha多樣性，不同樣品間OUTs序列利用主成分分析進行群落結構多樣性差異.

PCR、測序及序列前處理委托華大基因公司完成.

1.4 統計分析

使用IBM SPSS 19軟件進行數據的統計分析，采用Duncan多重比較方法分析各組數據之間的差異性，其中P<0.05表明具有顯著性差異.

2 結果與分析

2.1 擴增到不同覆蓋度的根系體積

通過人工誘導，各系統新生的根生物量以纖細的毛根為主，粗大的根狀莖較少，覆蓋度由低到高(50%、70%、90%)，單位面積根系生物量平均值分別為1.74、3.48、4.30 L/m2(見表2)；50%覆蓋度系統與其他兩組相差較大，主要是由于纖細毛根遮光效應較低，高的覆蓋度(遮光率)需要形成非常密集的根系，相應增加的根系體積量較多所致. 伴隨根系生物量增加，各香蒲系統總鮮質量也相應增加；此外水面上株數也有增加， 但3個系統相差不大，無顯著差異.

表2 不同香蒲根系覆蓋度系統的香蒲株數、總鮮重與根系體積

注：a、b相同字母代表無顯著性差異，不同字母代表代表存在顯著性差異(P<0.05). 下同.

2.2 污水CODCr去除特點

由表3可見，各系統在24 h內都可以實現對CODCr的大幅去除(CODCr去除率70%以上)，表明香蒲浮床的懸浮根系作為微生物生長載體，形成的處理系統可以有效地對污水有機物進行去除. 隨著覆蓋度由低到高，CODCr平均去除率和單位面積負荷平均去除速率都逐漸增大，其中90%覆蓋度系統面積負荷去除速率顯著高于其他兩個系統，表明根系體積增加可以促進香蒲浮床系統對有機物去除. 而50%和70%覆蓋度系統加入填料后，CODCr面積負荷去除速率也有顯著增加，與90%根系系統接近. 可見，對于香蒲浮床系統，除了自身根系體積增加可以促進有機物的去除外，加入外源填料也有助于提高系統的有機物去除能力.

表3 不同根系覆蓋度的香蒲水培根系24 h對污水CODCr去除效果

由圖3可見，前10 h內各系統ρ(DO)逐漸下降，其中90%覆蓋度系統下降最多，達到0.9 mg/L；但到24 h各系統ρ(DO)又回升至3.0 mg/L以上. 系統中DO補充有2個途徑：大氣復氧和香蒲根系釋放，消耗則主要是微生物對有機物等的好氧降解. 前10 h是污水ρ(CODCr)快速下降的時期，去除率接近60%，此時ρ(DO)相應快速下降，應該是污水有機物被好氧微生物降解引起的DO的消耗，而后期，由于有機物濃度減少，DO消耗減少，從而ρ(DO)出現回升；總體來看，該研究各系統中隨有機物的去除，ρ(DO)都維持在0 mg/L以上，表明在該研究設置的ρ(CODCr)(100 mg/L)下，依靠大氣復氧和根系釋放供應的DO可以滿足有機物好氧降解所需，因此對有機物的去除主要以微生物的好氧降解為主.

圖3 各系統污水處理過程中ρ(DO)隨時間的變化Fig.3 Change of dissolved oxygen (DO)with time in cattail aquaculture systems with different root coverage

2.3 根系及填料表面細菌多樣性

基于高通量測序的結果，各樣品中細菌的OTUs數量以及基于OTUs數量和相對豐度的4個Alpha多樣性指數如表4所示. 從表4可見，根系樣品的OTUs數量、豐度指數、多樣性指數均與填料樣品存在較大差異. Chao和Ace是豐度指數，可以看出這2個指數在不同樣品間變化與OTUs數量變化規律完全一致，都可以很好地反映樣品的豐度；從數值比較可以看出，填料樣品表面細菌豐度是根系樣品的2倍以上，表明根系細菌豐度遠低于填料，即填料表面附著的細菌群落有更多的微生物量. Shannon-Wiener多樣性指數和Simpson指數主要反映細菌的多樣性，是豐富度和均勻度的綜合指標，前者數值越高，后者數值越低，表明樣品物種多樣性越高[9]. 從表4還可以看出，二者的值在填料和根系樣品間變化具有一致性，填料樣品Shannon-Wiener多樣指數高于根系，Simpson指數低于根系，表明填料表面微生物組成多樣性高于根系.

2.3.1 各樣品間細菌組成的總體差異

基于各樣品β多樣性的bray_curtis指數進行主成分分析(見圖4)表明，在貢獻率最大的第一主成分(PC1)上，3個根系樣品和2個填料樣品間被明顯分開，表明這2類樣品細菌組成具有較大差異. 而2個填料樣品在第一主成分上也有一定的距離，表明這2個樣品間細菌組成也具有一定的差異. 3個根系樣品在第一主成分上距離接近，表明細菌組成比較一致，差異性不大.

表4 不同根系覆蓋度香蒲系統根際與填料表面細菌多樣性

圖4 基于OTUs豐度的PCA分析Fig.4 PCA analysis based on OTUs abundance

2.3.2 細菌群落結構組成

2.3.2.1 細菌門組成特點

從較高的分類等級門水平上來看，P50、P70、R50、R70、R90中OTUs所屬細菌門的數量分別為22、19、14、13、10，填料樣品高于根系，表明填料細菌門的多樣性高于根系，與表4結果一致. 圖5列出了各樣品OTUs所屬的主要細菌門(相對豐度1%以上)及相對豐度. 由圖5可見，各樣品相對豐度較高的優勢菌門都是比較一致的，最高的都是變形菌門(Proteobacteria)，其次是厚壁菌門(Firmicutes)，這2個門相對豐度之和在各樣品中都占60%以上，在根系樣品中甚至達到90%以上，是絕對的優勢菌門；此外，在填料樣品中放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)綠彎菌門(Chloroflexi)、浮霉菌門(Planctomycetes)也占有一定比例.

研究表明，包括人工濕地、活性污泥法等污水生物處理工藝中，細菌組成的優勢菌門大部分是變形菌門和厚壁菌門[9-11]，因此該研究中的香蒲浮床系統，根系表面微生物在門水平上組成與其他污水生物處理工藝具有相似性.

圖5 不同系統填料和植物根系樣品表面的優勢細菌的相對豐度(門水平)Fig.5 Relative abundances of bacterial phyla on root surface and artificial carrier in cattail aquaculture systems with different root coverage

2.3.2.2 細菌種的組成特點

將各樣品中每個OUTs的序列數與該樣品總的序列數進行比較，可以得到每個OTUs即細菌種類的相對豐度. 分析計算結果表明，各樣品中相對豐度在2%以上的細菌種類在總細菌種類中占比均在3%以下，但其序列數(反映細菌數量)之和占了總量的40%以上，在根系樣品中甚至高達80%以上. 表5列出了各樣品相對豐度在2%以上的OTUs的組成及可能對應的細菌種類. 由表5可見，每個樣品都由相對豐度在10%以上的1～3個優勢種占據了主體，這表明其中細菌群落的優勢種比較單一. 此外，填料和根系樣品優勢種也不同.

2個填料樣品的優勢種具有相似性，第一大優勢種為OTUs3，其在P50和P70上的相對豐度分別達到25.6%和13.9%，代表序列在Eztaxon數據庫中與芽孢桿菌屬(BacillusfuniculusNAF001)具有較高的序列匹配度，應該屬于芽孢桿菌屬Bacillus種類，該屬種類多分布于土壤和植物根際，對有機物特別是纖維素類具有較強的分解能力[12]. P70上OTUs11相對豐度也在10%以上，代表序列在Eztaxon數據庫中與假單胞菌屬(Pseudomonasargentinensis)具有非常高的匹配度，應該是屬于Pseudomonas，該屬是一個在土壤、植物根際、河流底泥、污水處理廠活性污泥等多種環境中廣泛存在的細菌類群，對于有機物特別是某些難降解有機物具有分解能力[12-13]. 可見填料樣品中這2大優勢種類，都是土壤、根際等環境中常見細菌種類.

表5 各樣品中主要細菌種類(相對豐度2%以上OTU)的組成

3個根系樣品優勢種也具有相似性，分別為OTUs2、OTUs4、和OTUs8，在Eztaxon數據庫中它們分別與Enterobacterludwigii、Acinetobactersoli、Clostridiumdiolis有著100%的匹配度，前2個種類在R50和R70中占據了細菌總量的60%以上，而在R90中則是這3個之和占據了細菌總數的55%以上，可見這3個種是香蒲根系表面對有機物降解轉化具有主導作用細菌種類. 這3種菌所在的屬，也都是土壤、植物根際、活性污泥等環境中常見的細菌類群[13-16]，特別是Acinetobacter屬，很多種類被發現是植物根系內生菌重要組成，在香蒲根系內生菌中也被發現[11].

盡管根系和填料表面細菌占比較高的優勢種不同，但各自的優勢種在對方的微生物群落中也占有一定的比重，如填料表面的優勢種OTUs11在3個根系樣品中均有出現且相對豐度都高于5%；而根系表面的優勢菌OTUs4在2個填料表面樣品中相對豐度都比較高，表明這些優勢種是整個香蒲浮床系統中有機物降解的主要種類.

3 討論

3.1 香蒲浮床系統有機物去除能力

在傳統顆?；|床人工濕地中，植物根在顆?？障吨猩L，空間較小，根生物量的擴增受限制，相應也會影響根系表面微生物附著量，但顆粒表面可以為微生物生長提供空間，附著生長較多的微生物，因此具有較高的有機物去除能力[17,24-25]. 而植物浮床的根懸浮于水中，根生長不受空間限制，通?？梢园l育出密集的根系[1,4]，相比于傳統人工濕地植物根系，可以附著生長更多的微生物，具備有機物去除能力. 該研究中通過誘導形成的根系覆蓋度為50%、70%、90%的香蒲浮床系統，都能夠有效地去除水中的有機物，其CODCr面積負荷去除速率分別為(8.28±0.56)(8.78±0.48)(13.46±0.63)g/(m2·d). 為了評估其有機物去除能力，通過查閱傳統人工濕地污水處理相關文獻，總結了多個使用顆粒填料的傳統人工濕地系統CODCr面積負荷去除速率[18-45]，并繪制了帶正態分布曲線的直方圖(見圖6)，從圖6可見，CODCr面積負荷去除率在10 g/(m2·d)左右的系統占了大部分，只有少部分系統能夠達到更高. 從這些數據可以看出，該研究香蒲浮床系統對污水有機物的去除能力與大部分使用填料的傳統人工濕地相當，表明具有密集根系的植物浮床系統同樣具有較高的有機物去除能力，可以承擔污水有機物的去除.

注：數據來源于文獻[17-45].圖6 人工濕地系統CODCr面積負荷去除速率的帶正態分布曲線的直方圖Fig.6 Histogram of normal distribution curve of CODCrunitload removal rate in constructed wetland system

3.2 香蒲浮床系統根系微生物群落特點

3.2.1 根系表面細菌多樣性較低

高通量測序結果表明，香蒲浮床系統根系表面細菌多樣性低于填料表面，這應該與微生物附著的表面環境特點有關. 對于根系來說，植物莖葉光合作用產生氧氣能夠向根部傳輸，并且會從根內部向外釋放，因此植物根系表面細菌生長空間范圍內應該呈較強的好氧狀態[46]，環境條件較單一，微生物組成也相對單一；而無機填料本身不釋放氧，表面微生物代謝所需的氧來自水中，氧是從外層微生物向內擴散，越接近內部氧濃度越低，可能為厭氧狀態，使得填料表面微生物附著空間內環境條件多樣[47]，因此，細菌組成上也會比較多樣.

總體來看，香蒲浮床系統根系或填料表面細菌多樣性也遠遠低于活性污泥. ZHANG等[13]利用454焦磷酸測序技術對15個城市污水處理廠污泥的細菌多樣性分析發現，獲得的序列可劃分出OTUs數量處于1 183～3 567之間；曾妮[9]同樣利用高通量IIlumina Miseq測序對重慶某A2/O工藝的污水處理廠好氧池污泥細菌多樣性進行分析，獲得序列可以劃分為2 947個OTUs；而該研究中，根系和填料樣品高通量測序，所獲得序列劃分OTUs數量在268～601之間，遠低于文獻[9,13]的研究結果. OTUs在一定程度上可以看作是不同的細菌種類，這表明，該研究香蒲浮床系統根系或填料表面細菌多樣性遠遠低于活性污泥. 除了根系表面環境條件較單一的原因外，可能也跟根系自身的生理代謝活性有關，根系作為植物生長重要的器官，承擔著吸收氮磷營養物質的功能，同時也通過呼吸代謝作用維持自身的生長，這些過程中可能會釋放一些次生代謝物質到周圍環境中，如小分子有機酸等，會對微生物類群產生一定的選擇作用[48]. 該研究中，人工配制污水采用的是廣州大坦沙污水處理廠(A2/O工藝)好氧池污泥作為微生物種源，根系表面的環境條件和代謝活動可能導致種源中細菌僅有部分可以適應，因此多樣性降低.

3.2.2 根系表面微生物群落優勢菌種類較單一

香蒲浮床根系表面細菌群落中優勢菌種類較單一. 該研究中，香蒲浮床系統根系少數菌(1～3個)具有非常高的相對豐度，這意味著污水有機物的降解主要依靠這幾個優勢菌完成. 但是，優勢菌較單一的微生物群落通常對于不利環境條件的抵抗能力比較差，對于污水處理系統，意味著其不能有效地緩沖污水處理過程中的沖擊負荷，一旦這些優勢菌生長代謝受到污水中某些毒害性物質的抑制，整個處理系統則會出現崩潰. 此外，植物本身對毒害性物質也比較敏感，因此植物浮床系統應避免用于包含較多毒害性污染物的工業廢水等有機物的處理. 而加入的軟性纖維填料盡管其優勢菌相對豐度也比較高，但多樣性還是高于根系，因此抗沖擊能力潛力應該也高于根系，可以考慮作為植物浮床系統有機物去除的增效措施.

4 結論

a) 經過誘導后，覆蓋度(遮光度)分別為50%、70%和90%的香蒲浮床系統根系體積分別達到1.74、3.48、4.3 L/m2. 經過適應馴化，3個系統都可以有效地對人工模擬生活污水有機物進行去除，CODCr的單位面積負荷平均去除速率分別為8.28、8.78、13.46 g/(m2·d)；系統根系體積增加或加入一定體積的軟性纖維填料都可以提高有機物去除能力.

b) 高通量測序所獲得OTUs數量及分類注釋結果表明，香蒲浮床系統根系與加入軟性填料表面細菌多樣性及組成都有較大差異，根系細菌豐度及多樣性指數均小于填料. 但在門水平上看，根系和填料表面細菌組成的優勢菌類群相同，第一優勢菌門是變形菌門(Proteobacteria)，其次是厚壁菌門(Firmicutes).

c) 系統根表細菌群落優勢菌種類(OTUs)較單一，各系統根表微生物僅由1～3個相對豐度在10%以上種類構成了優勢種群. 根系和填料優勢種類具有較大的不同，根系優勢種類分別為Enterobacter、Acinetobacter、Clostridium屬的種類；填料優勢種為Bacillus、Pseudomonas屬.

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CODCrRemoval and Rhizoplane Bacterial Diversity in the Cattail Aquaculture Systems

CHEN Zhiyuan, CHONG Yunxiao*, CHENG Bingbing, ZHANG Meiling, WU Xueshen, LIN Shuo

Engineering Research Center for Wastewater Ecological Treatment and Water Body Remediation of Guangdong Higher Education Institutes, College of Natural Resources and Environment of South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China

Cattail aquaculture systems with three different root coverages (shading rates) of 50%, 70% and 90% were constructed by root induced amplification, and the CODCrremoval capacity and bacteria diversity on root surface of the cattail roots were investigated. The results showed that the root volumes were 1.74, 3.48 and 4.30 L/m2, which corresponded to the 50%, 70% and 90% root coverage systems, respectively. Moreover, the three systems all performed effectively in removing organic compounds in artificial sewage, with CODCrremoval rates of 8.28, 8.78 and 13.46 g/(m2·d) in the 50%, 70% and 90% root coverage systems, respectively. This indicated that organic removal capacity could be enhanced by increasing the root volume or adding fiber packing. In addition, the analysis of IIluminaMiseq PE sequencing data found that the diversity and composition of bacteria on the root surface and packing surface significantly differed among the three different systems. Though the dominated bacteria in phylum level were similar, among which Proteobacteria and Firmicutes were the most abundant phylum, the richness of bacteria in the root samples was lower than that in the packing samples. The constitution of dominate bacteria (OTUs) on the root surface was quite simple, which was composed by 1-3 top abundant OTUs with relative abundance over 10%. Furthermore, the types of dominate species differed between samples from root and parking.Enterobacter,AcinetobacterandClostridiumwere dominate genera in root samples, in which OTUs2, OTUs4 and OTUs8 were representative sequencing with 100% similarity toEnterobacterludwigii,AcinetobactersoliandClostridiumdiolis, respectively. By contrast,BacillusandPseudomonaswere dominant genera in packing samples, in which OTUs3 and OTUs11 were representative sequencing with fairly high similarity toBacillusfuniculusNAF001 andPseudomonasargentinensis.

floating constructed wetland; cattail; CODCr; bacteria diversity; IIluminaMiseq PE sequencing

2016-08-05

2017-03-02

國家自然科學基金項目(51378226)；華南農業大學大學生創新創業訓練計劃項目(201410564064)

陳志遠(1995-)，男，河南駐馬店人，chenqianzhiyuan@163.com.

*責任作者，種云霄(1974-)，女，河北衡水人，副教授，博士，主要從事水污染防治生態技術研究，cyx04@scau.edu.cn

X703

1001- 6929(2017)06- 0943- 10

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.13

陳志遠,種云霄,程冰冰,等.香蒲浮床有機物去除能力及根表微生物群落結構[J].環境科學研究,2017,30(6):943- 952.

CHEN Zhiyuan,CHONG Yunxiao,CHENG Bingbing,etal.CODCrremoval and rhizoplane bacterial diversity in the cattail aquaculture systems[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(6):943- 952.