（植物学专业论文）亚热带人工湿地微生物功能群及其与植物关系的研究.pdf

摘要 人工湿地作为一种新型的水处理生态技术，具有许多特有的优点，己经在许多国家被广泛 应用。本文进行了亚热带地区人工湿地植物根际微生物的功能群以及与植物之间关系的研究。 以位于杭州植物园的一个复合垂直流人工湿地为实验基地，把土壤微生物的研究方法和技术应 用于人工湿地基质微生物的研究中，从根际微生物数量和作用强度以及根际微生物与植物之间 的关系入手，探讨根际微生物在人工湿地中的分布特点以及作用强度，观察其季节性动态变化， 结合复合垂直流人工湿地的污水净化效果，进一步阐明微生物在氮去除方面的贡献。 从季节变化看，亚硝酸细菌数量冬季小于夏季，其中在水流下行池美人蕉、下行池黼草以 及水流上行池稿草根际区沙层所含亚硝酸细菌数量的季节差异达到极显著水平( p o 0 1 ) ；硝化 作用则相反，冬季强于夏季，并且差异均达到极显著水平( p o 0 1 ) ；人工湿地基质所含反硝酸 细菌数量冬季小于夏季，其中上行池美人蕉沙层所含反硝化细菌数量的增加达到极显著水平 ( p 0 0 1 ) ，下行池美人蕉达到显著性水平( p o 0 5 ) ：基质的反硝化作用均为夏季强子冬季， 并且差异均达到极显著水平( p o 0 1 ) 。 从植物间的比较看，植物根际区基质的微生物数量( 包括氮化细菌、亚硝酸细菌和反硝化 细菌) 均高于无植物的对照，其中冬季对照和稿草之间的氨化细菌数量差异达到极显著 ( p ( 0 0 1 ) ，对照与美人蕉、对照与稿草之间的亚硝酸细菌数量差异均达到极显著( p o 0 1 ) ， 对照与美人蕉、对照与薜草之间的反硝化细菌数量均存在极显著差异( p 0 0 1 ) ，美人蕉与荫草 之间存在显著性差异( p 0 0 5 ) ：夏季对照与藕草、葫草与美人蕉之间的氨化细菌数量存在显著 著异( p o 0 5 ) ，美人蕉与稿草之间的亚硝酸细菌数量存在极显著差异( p 0 0 1 ) 。植物根际区 基质的微生物作用( 包括氨化作用、硝化作用和反硝化作用) 高于对照，其中冬季对照与美人 蕉、对照与藤草之问硝化作用的差异达到极显著( p o 0 1 ) ，对照与美人蕉、对照与荫草之间反 硝化作用的差异均达到极显著水平( p 0 0 1 ) ；夏季对照与美人蕉、对照与藕草以及美人蕉与稻 草之间反硝化作用的差异均达到极显著水平( p 0 叭) 。 从两个单元池间的比较看下行池氨化细菌数量基本上高于上括池，反硝化细菌数量则相 反，其中夏季反硝化细菌数量达到显著水平( p o 0 5 ) ；与数量变化规律有所不同，下行池氨化 作熠强度高于上行池，但是稍化作用和反硝化作用则相反，均为下行池低于上行池，两个单元 池之间的差异均未达到显著差异。 从基质的微生物数量和作用强度的相关性看，亚硝酸细菌数量与硝化作用强度成负相关 ( f - 0 6 9 1 ，p 0 0 1 ) ；反硝化细菌数量与反硝化作用强度成正相关( f 0 4 8 4 ，p 0 0 5 ) 。 从基质微生物的作用强度和水质各指标去除率之间的相关性看，硝化作用与n h 。- n 、 n 0 3 - n 、t n 、t p 、c o d 以及b o d 5 去除率之间均无显著相关。反硝化作用与n 0 3 - n 去除率之 间极显著正相关( 闭9 5 2 - p 0 0 5 ) ；与b o d s 显著正相关( r 卸9 1 2 ，p 0 0 5 ) ：与其它指标的 去除率之问均无显著相关。 水质检测表明：春季，观鱼池水中的氨态氨( n h 4 n ) 、硝态氮( n 0 3 - n ) 、总氮( t n ) 、 化学需氧量( c o d ) 和五日生化需氧量( b o d 5 ) 浓度比对照水塘( c o m p a r a t i v ep o n d ，c p ) 明 显降低，其中t p 和c o d 含量的减少最为明显，两个指标的去除率分别为7 0 0 7 和7 7 3 6 ； 夏季，t n 浓度的降低达到显著性水平( p 0 0 5 ) ，n h 4 n 的去除率较高( 5 6 0 7 ) ，湿地出水n h 4 - n 浓度达到i 类水标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) ：秋季，观鱼池水中t n 浓度有所升高，而总磷( t p ) 浓 度则明显降低，达到显著性水平( p 0 0 5 ) ，去除率为1 9 4 2 ；冬季，除n h 4 - n 外，观鱼池水 的其他指标均低于对照水塘。结果表明，湿地出水n h 4 - n 、t p ( 冬季和春季) 、c o d 和b o d s 等指标均达到i 类水标准。 本研究分析了人工湿地中基质的理化特征、植物根际微生物数量与作用强度的相关性、植 物根际微生物作用强度与各指标去除率的相关性、植物与根际微生物之间的关系，为新一代人 i = 湿地生态技术奠定了微生物学的理论基础，同时也为充分发挥人工湿地污水处理系统在环境 治理上的作用提供一定的参考。 关键词；复合垂直流；人工湿地；污水；富营养化；植物：根际微生物；营养去除 a b s t r a c t c o n s l r u c t e dw e t l a n d sa r ean a m r a la l t e r n a t i v et ot e c h n i c a lm e t h o d so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，a n d h a v ec o n s e q u e n t l yb e e nw i d e l ya p p l i e df o rw a t e rq u a l i t ya m e l i o r a t i o n a ni n t e g r a t e dv e r t i c a lf l o w c o n s t r u c t e dw e t l a n dw a sb u i l ti nh a n g z h o ub o t a n i c a lg a r d e n , z h e j i a n gp r o v i n c e ，c h i n a , t op u r l f y l i g h te u t r o p h i cw a t e rf r o mj a d ef i s h - s e e i n gp o n d i nt h i sp a p e r , t h er h i z o s p h e r em i c r o o r g a n i s m q u a n t i t ya n da c 曲时w e r ed e t e r m i n e db ya p p l y i n gt h er e s e a r c ht e c h n i q u e so fs o i lm i c r o o r g a n i s m o n t h eb a s i so fs e a s o n a lp e r f o r m a n c e s ，w ee s t i m a t e dt h er o l eo fm i c r o o r g a n i s m si nn i t r o g e nr e m o v a l t o g e t h e rw i t ht h ep u r i f y i n ge f f e c t so f c o n s t r u c t e dw e t l a n df o rw a s t e w a t c r t h en i t r i f y i n gb a c t e r i aw e r el o w e ri nw i n t e rt h a ni ns u m m e r t h e r ew e r eg r e a t l ys i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e si nc a n n ai n d i e aa n dp h a l a r i sa r u n d i n a c e ai nw a t e rd o w nf l o wc h a m b e r s ( d f c ) ，p h a l a r i s a r u n d i n a c e ai nw a t e ru pf l o wc h a m b e r s ( u f c ) ( p 0 0 1 ) ；t h en i u s f i c a t i o ni nw i n t e rw a sh i g h e rt h a n i ns u m m e r , w h i c hw a sd i f f e r e n tf r o mt h en i t r i l y i n gb a c t e r i a , a n dt h e r ew a sg r e a t l ys i g n i f i c a n t d i f f e r e n c eb e t w e e nw i n t e ra n ds u m m e r ( p 0 0 1 ) ；t h ed e n i t r i l y i n gb a c t e r i a , a st h es a m ea st h e n i t r i l y i n gb a c t e r i a , w a sl o w e ri nw i n t e rt h a ni ns u m m e r , t h e r ew a sg r e a t l ys i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei ni n c a n n ai n d i c ai nu f c ( p ( 0 o i ) ，a n ds i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nc a n n ai n d i c ai nd f c ( p 0 0 5 ) ；t h e d e n i t r i f i c a t i o nw a sl o w e ri nw i n t e rt h a ni ns u m m e r , a n dt h e r ew a sg r e a t l ys i g n i f i c a n td i f f e r e n c e b e t w e e nw i n t e ra n ds u m m e rr p 0 o i ) t h en u m b e ro f r h i z o s p h e r em i c r o o r g a n i s m s ( i n c l u d ea m m o n i f y i n gb a c t e r i a , n i t r i l y i n gb a c t e r i aa n d d e n i t r i l y i n gb a c t e r i a ) w a sl a r g e rt h a ni nb l a n ks a n d ：i nw i n t e r , t h e r ew a sg r e a t l ys i g n i f i c a n td i f f e r e n c e i na m m o n i f y i n gb a c t e r i ab e t w e e nb l a n ks a n da n dp h a l a r i s a r u n d i n a c e a ( p o e 1 ) ，i nn i t r i f y i n g b a c t e r i ab e t w e e nb l a n ks a n da n dc a n n ai n d i c a ( p 0 0 1 ) ，b l a n ks a n da n dp h a l a r i sa r u n d i n a c e a ( p o 0 1 ) ，i nd a n i t r i f y i n gb a c t e r i ab e t w e e nb l a n ks a n da n dc a n n ai n d i c a ( p 0 0 1 ) ，b l a n ks a n da n d p h a l a r i sa r u n d i n a c e a ( p 0 0 1 ) ，s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nd a n i t r i f y i n gb a c t e r i ab e t w e e nc a n n ai n d i c a a n dp h a l a r i sa r u n d i n a c e a 口 0 0 5 ) ；i ns u m m e r , t h e r ew a ss i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei na m m o n i f y i n g b a c t e r i ab e t w e e nb l a n ks a n da n dp h a l a r i sa r u n d i n a c e a ( p o 0 5 ) ，g r e a t l ys i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei n n i t r i l y i n gb a c t e r i ab e t w e e nc a n n ai n d i c aa n dp h a l a r i sa r u n d i n a c e a 伊 0 0 1 ) t h ea c t i v i t yo f r h i z o s p h e r em i c r o o r g a n i s m s ( i n c l u d ea m m o n i f i c a t i o n ，n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ) w a sh i 曲e r t h a ni nb l a n ks a n d ：i nw i n t e r , t h e r ew a sg r e a t l ys i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nn i t r i f i c a t i o nb e t w e e nb l a n k s a n da n dc a n n ai n d i c a 口 0 0 1 ) ，b l a n ks a n da n dp h a l a r i sa r u n d i n a c e a ( p ( o 0 1 ) ，i nd i n i t r i f i c a t i o n b e t w e e nb l a n ks a n da n dc a n n ai n d i c a ( p o 0 1 ) ，b l a n ks a n da n dp h a l a r i sa r u n d i n a c e a 口 0 ，0 1 ) ；i n s u m m e r , t h e r ew a sg r e a t l ys i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nd e n i t r i f i c a t i o nb e t w e e nb l a n ks a n da n dc a n n a i n d i c a 俨 o o i ) ，b l a n ks a n da n dp h a l a r i sa r u n d i n a c e a ( p 0 0 1 ) ，c a n n ai n d i c aa n dp h a l a r i s a r u n d i n a e e ar p 0 0 1 ) t h en u m b e ro fr h i z o s p h e r ea m m o n i f y i n gb a c t e r i aw a sl a r g e ri nd f ct h a ni nu f c ，b yc o n t r a r i e s ， t h ed e n i t r i f y i n gb a c t e r i aw l o w e r a n dt h e r ew a ss i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nd e n i w i f y i n gb a c t e r i ai n s u m m 钉( p o 0 5 ) ；d i f f e r e n tf r o m t h en u m b e rm i c r o o r g a n i s m s ，t h ea m m o n i f i c a f i o nw a sh i g h e ri nd f c t h a ni nu f c ，t h en i t r i f i c a t i o na n dd e i n t r i f i c a t i o nw e r el o w e ri nd f ct h a ni nu f c ，b u tt h e r ew a sn o s i g n i f i c a n td i f f e r e n c e t h er e l a t i o n s h i pb e h v e e nn u m b e ra n da c t i v i t yo f r h i z o s p h e r em i c r o o r g a n i s m si n d i c a t e d ：t h e r ew a s s i g n i f i c a n tn e g a t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nn u m b e ro fn i t r i f y i n gb a c t e r i aa n dn i t r i f i c a t i o nr f 一0 6 9 1 ， p 0 0 1 ) ；a n ds i g n i f i c a n tp o s i t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e nn u m b e ro f d e n i t r i f y i n g b a c t e r i aa n d d e n i t r i f i c a t i o nf f 吣4 8 4 ，p 0 0 5 ) t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na c t i v i t yo fr h i z o s p h e mm i c r o o r g a n i s m sa n dr e m o v a lr a t e si n d i c a t e d ： t h e r ew a sn os i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nb e t w e e nn i t r i f i c a t i o na n dr e m o v a lr a t e so fn i - k - n ，n 0 3 - n ，t n ， 他c o d ，b o d s ；b u tt h e r ew a ss i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nd i n i t r i f i c a t i o na n dr e m o v a l r a t eo f n o r n ( r 卸9 5 2 ，p 0 0 5 ) ，b e t w e e nd i n i t r i f i c a t i o na n dr e m o v a lr a t eo f b o d 5 ( r = 0 9 1 2 ，p 0 0 5 ) b yc o m p a r i n gw i t han a t u r a lp o n d ，t h es t u d yd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep u r i f y i n gr e s u l t sc h a n g e dw i t h t h ea l t e m a t i o no fs e a s o n s i ns p r i n g ，t h ec o n c e f f a a t i o n so fa m m o n i an i t r o g e n ( n h 4 - n ) ，n i t r a t e n i t r o g e n ( n 0 3 n ) ，t o t a ln i t r o g e n ( t n ) ，c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d ) a n db i o c h e m i c a lo x y g e n d e m a n d ( b o d s ) l o w e r e do b v i o u s l y ；t h er e m o v a lr a t e so f t pa n dc o dr e a c h e dt h eh i g h e s t ( 7 0 0 7 a n d7 7 3 6 ，r e s p e c t i v e l y ) i ns u m m e r , t h e r ew a ss i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nt h ec o n t e n tr e d u c t i o no f t n ( p l o c k p o r td o l o m i t e 白云石) ( p a n t e ta l ，2 0 0 1 ) 。 用煤灰渣人工土壤和风车草组成的垂直流人工湿地系统对化粪池出水中总磷和无机磷 的去除率分别达到7 5 9 2 和7 3 n - 9 2 n ，其处理出水中总磷和无机磷浓度犬部分低 手lr n g l 。垂直流煤灰渣人工湿地系统对磷的去除作用主要有：物理作用、化学吸耕 与沉淀作用和微生物同化作用以及植物摄取等作用其对化粪池出水中总磷的去除率分 别为2 28 、5 0 6 5 和1 3 ( 崔理华等，2 0 0 2 ) 。 磷容易被土壤颗粒和悬浮物吸附，这是磷最有可能的转移途径( 岳春雷等，2 0 0 2 ；l a g o n “a 1 1 9 8 0 ) 。 磷的去除率可达到4 5 9 ( p e r l l e re t a l ，1 9 9 9 ) 3 人工湿地中植物的作用 虽然人工湿地污水处理技术已经得到了广泛的应用，但是我们对于由植物、微生物、土壤 基质和污水中的物质引起的复杂过程以及他们之间错综复杂的作用机理的了解仍然是不全面 的。如果要尽可能有效地进行污水处理，在设计人工湿地时，详细的知识是必不可少的，例如 不同植物物种的效力，一些微生物种群的殖民特性以及生物所制造的混合物与特定污染物( 污 水混合物) 是如何与过滤床物质相互作用的。人工湿地的活跃反应区域是根际( 或根际区) ，这 1 2 亚热带人工湿地微生物功能群及其与植物关系的研究 里正是由植物、微生物、壤和污染物之间的相互作用引起的物理化学和生物反应发生的所在 地。因此，为了更好地认识污染物在人工湿地中的去除机理，提商系统的净化效率，我们需要 掌握更多关于人工湿地中植物及其根际微生物在去除污水中污染物时所起到的作用。 3 1 植物对营养物的吸收 人工湿地中污水所含营养物质去除的主要机制是微生物过程，包括氨化作用、硝化作用和 反硝化作用：还有物理化学过程，如在土壤过滤系统中利用铁和铝固定磷酸盐。此外，植物有 耐受高营养浓度和重金属的能力，在某些情况下甚至能在组织内积累它们。s c h o e n o p l e c t u s l a c u s t r i s ( s c h m c 时m ) 水面生物量能吸收的磷大约是6 7 9m 。a “( s e i d e l ，1 9 6 8 ) 。m e j a n n e t 等( 1 9 9 5 ) 发现大量沼生植物中的干生物量内磷含量平均值约为0 1 5 1 0 5 。因此，地方污水 中少于5 的磷负载由植物吸收。从这个角度来看，收获植物生物量的效果甚微( k i ma n dg e a r y , 2 0 0 1 ) 。从技术角度来看，因为收获地上生物量只能去除5 - 1 0 的氮( t h a b l e ，1 9 8 4 ) ，植物对氮 的吸收作用并不大。t a n n e r ( 1 9 9 6 ) 估计沼生植物中氮浓度的地上生物量在1 5 和3 2m gng - 千重之间。由于植物对氮的吸收程度相对较低，因此在欧洲植物一般是不收获的。 湿地一包括人工湿地，已经被用来去除工业废水和矿井排水的重金属。从技术角度来看， 当工业废水和矿井排水被处理时，通过植物积累的重金属通常可忽略。这是因为植物体能够积 累的量只是污水中所有重金属量的小部分。不过，大家知道许多陆生植物在它们的生物量中能 积累相对大量的重金属。这类植物叫做“超级积累体”。根据定义，它们的干重生物量含有 0 1 1 的金属( b a k e r , 1 9 9 9 ) 。与硫反应的金属隔离在半胱氨酸丰富的多肽中，如金属硫因和植物螯合 体( m e a g h e r , 2 0 0 0 ) 。元素如砷、硒和铬则适用于另外一些机制。比如说，铬( v i ) 可以通过 还原成铬( i i i ) 解毒( l y t i ee t 口f ，1 9 9 8 ) 。 目前，挑选能耐受重金属的“超级积累体”的研究正紧锣密鼓地开展。除了自然培养挑选以 外，新的基因改良品种正在开发( m a c e k e t a l ，2 0 0 1 ) 。目标是开发便宜的根过滤体( 流动污水 中重金属和放射核等的去除) 和土壤的“植物提取”技术。 利用沼生植物处理污水的先锋之一是s e i d e l ( 1 9 6 8 ) 。她是第一个研究植物对苯酚耐性和在 溶液培养器皿研究沼生植物去除多种苯酚的人。因为这些研究是在未消毒的条件下作为一批实 验开展的，吸收有可能是由微生物和植物共同引起。利用s c f r p u sl a c u s t r i s ( s cl a c m 嘶) 的植 物组织做的浸泡实验表明每天每克鲜重吸收o 0 8m g 苯酚( k i c k u t h ，1 9 7 7 ) 。在这方面，水葫芦 ( e i c h h o r n i ac r a s s i p e s ) 常被作为研究对象。w o l v e 哟n ( 1 9 7 6 ) 估计在7 2 小时内苯酚吸收量大 约是3 6m g g 干重物质。影响植物对异型生物质( 有机污染物) 吸收的重要因素包括化合物的 物理化学特性如辛醇一水分裂系数( 1 0 9 凰。) 、酸度常数( p k a ) 和浓度等( w e n z ee t a l ，1 9 9 9 ) 。 一般说来，化合物l o g 凰。在o 5 和3 之间可被充分的吸收( t r a p pa n dk a r l s o n ，2 0 0 1 ) 。 s a n d e r m a n n ( 1 9 9 2 ) 将植物中异型生物质的新陈代谢分为三部分：转化、接合和分隔。下 列是所需要的酶：细胞色素p 4 5 0 、谷胱甘肽转移酶、羧酸酯酶、o 一和n 葡糖基转移酶及o 和 n 丙二酰转移酶。最后一步解毒步骤有三种可能：向细胞液泡的输出、向细胞外输出或整合到 木质素或其它细胞膜的组成部分。尽管植物有上述对异型生物质的解毒功能，和微生物比起来 它们在污水处理系统中对有机物的直接降解只发挥了次要的作用。 亚热带人工湿地微生物功能群及其与植物关系的研究 3 2 植物根生长对土壤基质的影响 根际区发生的所有复杂过程中的一个重要方面就是根，根茎与土壤基质之间的相互作用。土 壤是植物生长和微生物薄膜的主要支持物质。更重要的是，土壤基质对水压过程起到了决定性 作用。土壤的化学组成和物理参数如颗粒大小分布、空隙的孔径大小、有效颗粒大小、不规则 程度和渗透系数都是影响生物处理系统的重要因素。这些物理参数表明了土壤一定的水压状态， 并在相当大的程度上影响着人工湿地中污水的流动最终影响到污物的清理。根的生长影响 了土壤的物理( 水压) 性质( k i c k u t h , 1 9 7 7 ；c o o p e r a n d b o o n , 1 9 8 7 ) 。一方面，根和微生物生物 数量阻塞了土壤间隙，但另一方面，根生长和微生物降解腐根导致了新的第二代土壤间隙的形 成。 在水平潜流人工湿地中，床体中的水流主要是潜流通过由活的或死的根和根茎所创造的通 道及土壤孔隙。当根和根茎生长的时，它们扰乱和疏松土壤。而且，当根和根茎死亡腐烂后， 会留f 一下管形的孔和通道( 大孔) ，这些结构被认为在一定程度上增加和稳定了土壤的水力传 导性( k i c k u t h ，1 9 7 7 ) 。通道系统的结构依赖于植物的种类和生长条件，在引导水流通过基质床 体的过程中，它是非常有效的( b e v e n , 1 9 8 2 ) 。 在间歇注水的垂直过滤系统中。氧气主要通过水下流时的吸入效应进入士壤的。相对而言， 在水平潜流系统中氧气主要通过沼生植物输入。植物的通气组织可以将氧气从叶片传输到根区 和根际土壤( a r m s t r o n ge t a l ，1 9 9 0 ；b r i x ，1 9 9 3 ) 。 根际区氧气的不断释放与利用根际区处理污水之间有着尤为重要的联系。测定的氧气流动 速率，比如，对于j u n c u si n g e n s 是1 2 6 岬o lo 加g 根千重质量( s o r r e l l ，1 9 9 4 ) ，而对于t l a t i f o r l i a 是1 2 0 ，2 0 0 i _ t m o l 0 2 h g 根干重质量( j e s p e r s e ne t a l ，1 9 9 8 ) ，在生物技术角度是适当的。对于尸 a u s t r a s ，模型计算显示特定面积氧的输入速率是每天5 1 2g0 2 m 2 ( a r m s 订o n ge ta i ，1 9 9 0 ) 。 如果某些沼生植物的氧化势能要达到生物技术运用的最佳效果，这个过程必须考虑多种因素的 影响并加以量化。这些因素除了叶面的特异因素( 如温度和光强度) 外，还包括根际特异的参 量如氧化还原态、p n 、氧浓度、化学特性和温度、植物特异参量如生物量、物种以及植物生长 阶段。研究发现光照可以影响rl a t i f o r l i a 的氧气释放的强度但几乎不影响g 疗泌m 。受光照影 响的植物体内地上气体交换和戚气体运输的明显过程( 光合作用、热渗透、扩散作用、压力引 起的气体流动) 影响了物种根际区氧气的释放。除了根际区的氧化还原态，还普遍发现嫩芽的 大小和生理功能对植物供给根际氧气起着决定性作用。 通过挺水湿地植物将甲烷释放到大气中，通气组织也具有重要作用( t h o m a se t a l ，1 9 9 6 ) 。 t h o m a s 等( 1 9 9 6 ) 总结引用了其它一些论文，显示湿地甲烷总流量的5 0 9 0 与沼生植物有关。 t a n n e r 等( 1 9 9 7 ) 估计用于处理农业污水的人工湿地中释放的甲烷占种植湿地中污水碳量的2 - 4 ，不种植系统中碳量的7 8 。其他污染物( 植物挥发) 如三氯乙烯和2 ，6 一二甲苯酚释放的 量极其微小，对于技术处理过程的影响并不重要( b a e d e r - b e d e r s k i a n t e d a , 2 0 0 2 ) 。 现有关于从植物向根际区输入碳的知识主要来自于农业研究。碳输入的整个过程被认为是 根沉积。根沉积的产物( 分泌物、黏液、死细胞物质等) 促进了根际区多种生物过程的发生。 释放的有机碳化合物的数量估计为农作物净光合产物量的1 0 4 0 ( h e l a l 。1 9 8 9 ) 。渗出物的化 学组成是非常多样的。植物组织中出现的化合物也经常通过根部释放。举个例子，根部渗出物 亚热带人工湿地微生物功能群及其与植物关系的研究 中鉴别出的物质有糖，维生素如维生索b 1 、核黄素和维生素b 6 等，组织酸如苹果酸、柠檬酸、 氨基酸、安息香酸和苯酚及其它有机化台物( h e l d e r 酣a l ，1 9 9 3 ) 。物质种类因物种甚至亚种不 同而不同。推断根沉积的产物在根际行使下列功能：( 1 ) 调动营养成分。营养缺陷可以导致有 机酸和其它化合物的分泌。这个也许比如说会增加铁和磷酸盐的溶解度，从而改善植物的营养 供给( h o f f i a n de t 以，1 9 9 2 ) 。( 2 ) 植物相克效应。有些植物物种向根际区分泌特殊的化合物从 而抑制其它物种的生长( m i e r s e he ta 1 ，1 9 8 9 ) 。这种效应已经在许多农作物上被详细调查。文 献上并没有任何明显记载说明沼生植物存在这种效应( g o p a l ，1 9 9 3 ) 。( 3 ) 根际效应。有机化合 物如糖和氨基酸能被微生物用作底物。并分泌维生素刺激微生物生长。h e l a l ( 1 9 8 9 ) 报导玉米 分泌的大部分有机物( 8 0 ) 被根际微生物矿化生成c 0 2 ，增加了根际微生物的生物量。此外， 已有研究表明植物和植物残体释放的有机物影响了异型生物质的微生物降解( h o r s w e l le ta l ， 1 9 9 7 ；d o r m e l l ye t a l 1 9 9 4 ；m o o r m a n ne t 越，2 0 0 2 ) 。 目前关于沼生植物根部分泌液的组成成分的知识非常有限，到目前为止，对于成熟植物这 方面地了解几乎毫无所知。k a i t z i s ( 1 9 7 0 ) 调查了s c & c u s 加i s 的根茎提取物并发现了多种苯的 衍生物，其中包括羟基、甲氧基、乙醛基和羧基。这些提取化合物显示了杀菌的效应，暗示它 们起着“负”根际效应。 相对水流而言，植物只释放了少量的碳，因此可以推断，只有当废水中的碳负荷极低时候， 根沉积才在人工湿地中有重要意义。植物释放碳的数量还不清楚。但是报道的值一般是光合固 定碳的5 2 5 。在某些类型处理湿地中，这种由根分泌的有机碳可作为反硝化作用的碳源，从 而增加硝酸盐的去除( p l a 把e r , 1 9 9 9 ) 。 3 3 植物根际微生物 淹没在水中的大型水生植物的茎和叶为生物膜提供了一个巨大的表面积( g u m b r i c h t ，1 9 9 3 ； c h a p p e l l ，1 9 9 4 ) 。大量光合藻类以及细菌和原生动物都集聚在植物组织上面。同样，根和根茎 埋在湿地土壤中，为微生物的接触生长提供了基质( g e l z ，1 9 8 6 ) 。因此，大型水生植物的地上 和地f n 织都可以形成生物膜。这些生物膜以及湿地系统中所有其他沉浸固体表面的生物膜， 包括死的大型植物组织，对应湿地中发生的所有微生物的进程都具有重要作用。 根际是植物土壤。微生物和酶组成的特殊微生态系统，亦是各种养分及其它物质进入根系 参与生物链物质循环的门户。根际范围的大小主要取决于根毛长度。由于根毛和根分泌物的作 用，以及根际范围内较强的微生物活动，使根际土壤物理、化学和生物学等方面的特性明显不 同于原土体土壤。根系的呼吸作用、根分泌与溢泌质子和有机物质的作用以及根对养分和水分 的吸收特性，这些都决定这根际动态的方向和强度( 张福锁，1 9 9 2 ；杨玉盛等，1 9 9 8 ) 。植物根 的生长发育及根系分泌的有机和无机化合物是刺激根际微生物繁殖的重要能源和养分源( 杨玉 盛等，1 9 9 8 ) 。根系分泌物不仅为根际微生物提供所需的能源，而且不同根系分泌物直接影响着 根际微生物的数量和种群结构。d a ”a 1 1 ( 1 9 9 1 ) 模拟了可溶性碳同根际微生物量及死亡量的水 平和垂直分布，结果表明，根际微生物的分布与沿根的可溶性碳的分布距离有关，微生物生物 量的积累依赖于根系分泌物的释放。分泌物越多，微生物生长越旺盛；而根系分泌物的种类则 决定了根际微生物的种类，这就是不同植物根际发育着不同种微生物的原因。当然根系分泌物 亚热带人工湿地微生物功能群及其与植物关系的研究 除了对根际微生物数量和种类产生影响外，还对微生物的代谢及生长发育有一定的影响( 朱丽 霞，2 0 0 3 ) 。其影响有时起促进作用，有时起抑制作用。已经有许多研究证明了植物对根际微生 物的影响( 张崇邦等，2 0 0 1 ；郑华等，2 0 0 4 ；龙健等，2 0 0 4 ；f a n g e ta 1 ，2 0 0 1 ；g r a y s t o ne ta 1 ， 1 9 9 6 ) 。目前，关于人工湿地微生物已经有了些研究报道( c h o n ge t a l ，1 9 9 9 ；k e me t a l 1 9 9 9 ； s h a c k l ee ta l ，2 0 0 0 ；梁威等，2 0 0 2 ；吴振斌等，2 0 0 2 ；l i a n ge ta 1 ，2 0 0 3 ；项学敏等，2 0 0 4 ) ，主要是 通过分析人工湿地中微生物的类群和空间分布，探讨了微生物与净化效果的相关性。上述研究 也涉及了人工湿地中不同植物的根际微生物，但研究的植物种类较少。 3 4 植物的生态学和经济价值 经过十几年的研究，人工湿地的内涵有了较大的发展，目前已经集多种功能和价值于一身， 其中生态美学价值也成为该技术追求的目标之一。充分体现在湿地的清洁性、独特性、愉悦性 和可观赏性等方面，而这些价值主要是通过植物来体现的( 崔保山等，2 0 0 1 ) ，既具有美观可欣 赏性，也能改善周围景观。这方面的研究多集中在水生植物上。陈飞星等在利用水生植物改善 北京动物园水环境的研究中指出，荷花、睡莲等水生植物不仅本身具有很高的观赏价值，而且 种有该类水生植物的湿地水域也为鱼群和水禽创造了适宜的生存环境，不时有色儿在游动，水 禽在嬉戏，呈现出更为自然的野生气息( 陈飞星等，2 0 0 2 ) 。岳春雷等在杭州风景区内通过种植 吉祥草( r e i n e e k e a c a r r i e s ) 和黑麦草( l o b u m p e r e n n el ) 构建人工湿地处理污水，不但成功的 处理了污染，而且也美化了周围环境( 岳春雷等，2 0 0 2 ) 。成都活水公园人工湿地塘床系统中的 大型水生植物群落不但是人工湿地生态系统的骨架，起着支撑系统的作用，同时还发挥着美化、 绿化环境的作用( 王庆安，2 0 0 1 ) 。所以生态美学价值是湿地植物发挥作用的重要方面( c a m p b e l l a n do g d e n , 2 0 0 4 ) 。 人工湿地生态系统中植物的经济价值，也是近年来才得到重视的。