典型的草甸和冠层型沉水植物对内源污染物削减效果研究_谢孟颖.pdf

收稿日期：2023-03-10基金项目：国家自然科学基金（51778245）；2021 年度广州市水务科技项目（SST2021006）作者简介：谢孟颖（1996），女，在读硕士生，研究方向为污染水体生态修复，E-mail：通信作者：种云霄（1974），女，博士，教授，研究方向为污水处理和受污染水体生态修复等，E-mail：广东农业科学 2023，50（5）：73-82Guangdong Agricultural Sciences DOI:10.16768/j.issn.1004-874X.2023.05.009谢孟颖，李鑫宇，陈桂珠，种云霄.典型的草甸和冠层型沉水植物对内源污染物削减效果研究J.广东农业科学，2023，50（5）：73-82.典型的草甸和冠层型沉水植物对内源污染物削减效果研究 谢孟颖，李鑫宇，陈桂珠，种云霄（华南农业大学资源环境学院/广东省农业农村污染治理与环境安全重点实验室，广东 广州 510642）摘 要：【目的】探究不同生长模式的沉水植物对内源污染物的削减效果。【方法】选取典型的草甸型和冠层型沉水植物矮慈姑和轮叶黑藻，利用采自重污染水体的底泥和两种沉水植物分别构建实验模拟系统，研究分析矮慈姑和轮叶黑藻在污染底泥中的生长扩增、各系统底泥和上覆水中主要污染物的浓度变化及表层底泥微生物群落结构的特点。【结果】两种沉水植物均能耐受污染底泥并生长扩增，矮慈姑茎、叶和根系的生物量均扩增 10 倍，但主要集中在水底泥界面上下 10 cm 范围；轮叶黑藻茎、叶的生物量在整个上覆水空间扩增也达到10 倍，但根系生物量不变。矮慈姑系统表层底泥（010 cm）的酸可挥发性硫化物（AVS）、亚铁和氨氮，去除率分别达到 80.57%、67.43%和 72.48%，轮叶黑藻系统亚铁和氨氮去除率只有 24.75%和 61.41%，AVS 上升13.6%。矮慈姑和轮叶黑藻系统上覆水中叶绿素 a 的浓度分别为 9.61、9.39 g/L。16S rRNA 高通量测序结果显示，两类系统表层底泥微生物群落中属的组成差异显著，矮慈姑系统优势属为硫曲菌属（Sulfurifustis）和硝化螺旋菌属（Nitrospira），而轮叶黑藻系统中 Cyanobium_PCC-6307、螺旋体菌属（Spirochaeta_2）、假平胞菌属（Sphingomonas）和地杆菌属（Geothermobacter）的相对丰度更高。【结论】矮慈姑对表层底泥中还原性污染物 AVS、亚铁和氨氮具有更好的去除效果，而轮叶黑藻则对于上覆水藻类的生长具有更好的控制效果。矮慈姑发达的根系促进了硫和氨氮代谢微生物类群的发育。关键词：矮慈姑；轮叶黑藻；内源污染；生态修复；微生物群落多样性中图分类号：X522 文献标志码：A 文章编号：1004-874X（2023）05-0073-10Study on the Reduction Effect of Typical Meadow and Canopy-type Submerged Plants on Endogenous Pollutants XIE Mengying,LI Xinyu,CHEN Guizhu,CHONG Yunxiao（College of Resources and Environment,South China Agricultural University/Guangdong Key Laboratory of Agricultural and Rural Pollution Control and Environmental Safety,Guangzhou 510642,China）Abstract：【Objective】This study is to explore the reduction effect of different growth patterns of submerged plants in controlling endogenous pollutants.【Method】A selection of typical meadow and canopy-type submerged plants,Sagittaria pygmaea Miq and Hydrilla verticillate,experimental simulation system using sediment from a heavily polluted water body and two types of submerged plants respectively.The study analysed the growth and expansion of S.pygmaea Miq and Hydrilla verticillate in the contaminated sediment,and investigated the changes in the concentrations of major pollutants in the sediment and overlying water of each system,as well as the characteristics of the microbial community 74【研究意义】当前我国许多受污染地表水体中的外源污染已经得到控制，但是底泥中仍然沉积大量污染物，成为影响水体环境质量的内源污染1。底泥中的亚铁Fe（）和酸可挥发性硫化物（AVS）等还原态物质对底栖生物具有毒害性，影响底栖生物群落的发育；同时，氮、磷等营养物质会向上覆水扩散，导致水中氮、磷浓度升高、刺激藻类生长2。因此，如何有效削减内源污染物总量，控制底泥中污染物向水体中释放，逐渐成为水体污染控制与生态修复的重要目标。【前人研究进展】已有研究表明，以沉水植物为主导的原位生态治理与修复是控制内源污染较为经济的技术措施，具有操作简单、所需能耗低、低投资和高效益的优点，还可提升景观，具有生态效益等3。沉水植物在生长过程中会与藻类竞争水中的养分，同时释放一些抑制或杀死藻类的化学物质（如化感物质）4；其根、茎、叶可吸收和富集水体、底泥中的氮、磷元素，同时释放氧气，为好氧生物提供生长环境，净化水质，改善水环境5。沉水植物根系能通过泌氧和吸收作用去除底泥中的还原态物质，然而底泥中有毒害作用的还原态物质，如硫化氢、亚铁、有机胺等含量过高，则会对根系生长造成抑制，甚至引起植珠死亡、腐败，对底泥造成二次污染6。由此可见，沉水植物可通过其复杂的生长代谢过程改善水体环境，然而底泥中有毒物质也会对植物造成威胁，且会因植物类型的不同而有所差异。因此，选取合适的沉水植物对于原位生态治理与修复技术尤为重要。根据生长发育特点，可将沉水植物分为草甸型和冠层型，目前关于这两种典型沉水植物对内源污染物削减效果的研究较少。【本研究切入点】轮叶黑藻（Hydrilla verticillata）为冠层型沉水植物，常见于淡水生态系统中，在池塘、溪流及湖泊等淡水水体中均有分布，具有生长速度快、营养盐吸收速率快等特点，通过直立茎的分枝来扩增生物量，常用于水体生态修复研究。矮慈姑（Sagittaria pygmaea Miq）为草甸型沉水植物，直立茎短缩，个体较矮小，主要依靠横走的根茎来扩增生物量，是近年新筛选的对黑臭重污染底泥具有较强耐受性的沉水植物2。选取两种不同生长模式且对内源污染具有一定耐受作用的沉水植物进行比较，分析不同的生长模式在污染水体中的净化优势。【拟解决的关键问题】本研究以上述两种典型的草甸型和冠层型沉水植物为研究对象，利用采自重污染水体底泥构建实验模拟系统，比较两种沉水植物对内源污染物的控制效果，为受污染水体的生态修复提供参考。1 材料与方法1.1 试验材料矮慈姑（Sagittaria pygmaea Miq）为本研究团队于 2014 年采自广东河源东江流域稻田野外，structure in the surface sediment.【Result】Both submerged plants tolerated and expanded in the contaminated sediment in this study,with both the stem and root biomass of S.pygmaea Miq expanding 10-fold,but mainly within the upper and lower 10 cm of the sediment interface,The stem and leaf biomass of H.verticillate also expanded 10-fold throughout the overlying water space,but the root biomass remained unchanged.The removal of acid volatile sulphide(AVS),ferrous iron and ammonia nitrogen from the surface sediment(0-10 cm)of the S.pygmaea Miq system reached 80.57%,67.43%and 72.48%,respectively,while the removal rates of ferrous iron and ammonia nitrogen in the H.verticillate system were only 24.75%and 61.41%,the removal rate of acid volatile sulphide(AVS)increased by 13.6%.The mean chlorophyll a concentrations in the overlying water were 9.61 g/L and 9.39 g/L for the H.pygmaea Miq and H.verticillate systems,respectively.The results of 16S rRNA high-throughput sequencing showed that there were significant differences in the composition of genera in the microbial communities of the surface sediments of the two systems,with the dominant genera in the S.pygmaea Miq system being Sulfurifustis and Nitrospira,while the dominant genera in the H.verticillate system being Cyanobium_PCC-6307,Spirochaeta_2,Sphingomonas and Geothermobacter with much higher relative abundance.【Conclusion】The S.pygmaea Miq were more effective in removing the reducing pollutants AVS,ferrous iron and ammonia nitrogen from the surface sediment,while.verticillate was more effective in controlling the growth of algae in the overlying water.The well-developed root system of S.pygmaea Miq promotes th