菱铁矿基硫自养人工湿地脱氮除磷效能及微生物群落结构

菱铁矿基硫自养人工湿地脱氮除磷效能及微生物群落结构菱铁矿基硫自养人工湿地脱氮除磷效能及微生物群落结构

摘要：自然湿地是具有优异功能的生态系统，可将水体中的营养物质去除、提高水体水质。人工湿地作为自然湿地的模拟体，已被广泛应用于污水处理、水体修复及非点源污染控制等领域。本研究以常见的菱铁矿为填料，构建了自养人工湿地，并对其脱氮除磷效能及微生物群落结构进行了研究。结果表明，自养人工湿地对于氨氮、COD、TP的去除率分别高达87.5%、93.6%、93.2%。湿地中氨氮去除机制主要是硝化作用，硝化菌在湿地中的细胞比例占优势地位。同时，磷素的去除主要是由铁锰氧化物和沉积作用来完成，微生物群落结构分析表明，湿地中磷素去除主要由铁还原菌、铁氧化菌、磷酸盐溶解菌等菌种协同作用完成。本研究对于自养人工湿地构建及其效能和微生物群落结构的研究具有一定的参考价值。

关键词：自养人工湿地；脱氮除磷；微生物群落结构；菱铁矿

1.引言

2.研究方法

2.1自养人工湿地的构建

2.2试验设计

2.3样品采集和处理

2.4主要分析方法

3.结果与分析

3.1自养人工湿地的脱氮除磷效能

3.2自养人工湿地的氨氮去除机制

3.3自养人工湿地的磷素去除机制

3.4自养人工湿地微生物群落结构分析

4.讨论

4.1菱铁矿对于自养人工湿地构建的适应性

4.2自养人工湿地对于氨氮去除的机理探讨

4.3自养人工湿地对于磷素去除的机理探讨

4.4微生物群落结构与自养人工湿地功能的关系分析

5.结论

。1.引言

自然湿地因其优越的水质净化功能，已经成为一种形式独特的处理废水的生态系统。然而，近年来，湿地面积的急剧缩减和生态环境的恶化已经造成了湿地退化的局面。为了解决这一问题，研究人员利用人工方式构建了湿地生态系统，即自养人工湿地。自养人工湿地是一种基于湖泊、池塘、河流等人工水体的湿地模拟体系，通常包括底泥、细砂、粗砂、石头等材料，具有更好的废水处理效果和更长的使用寿命。

在湿地底泥和植物根系的共同作用下，混合液中的氨氮、COD、TP等污染物可以通过硝化、反硝化、脱磷等生物和化学过程得到有效的去除。同时，微生物群落结构是自养人工湿地效能的重要因素之一，各种微生物在生态系统中协同作用，发挥着关键的功能。因此，明确自养人工湿地的脱氮除磷效能和微生物群落结构对于提高其应用效能具有重要的意义。

本文基于菱铁矿为主要材料构建自养人工湿地，研究了其对氨氮、COD、TP的去除效果及脱氮除磷机理，并结合高通量测序技术分析了微生物群落结构和其与效能的相关性，为湿地处理废水提供了新的思路和方法。

2.研究方法

2.1自养人工湿地的构建

在一个有污染物输入的生态系统中，自养人工湿地通常被设置在一个保水性良好、开放的区域，湿地里面的材料种类和数量都是精细设计的，以便尽可能模拟自然湿地的环境条件。为了提高自养人工湿地的底泥质量，本研究选择菱铁矿作为主要材料。菱铁矿是一种酸性熔岩，在多重酸处理过程中，可以形成碱性硅酸盐，而在湿地中，由于酸性介质的影响，菱铁矿会逐渐溶解并释放出铁、铜、钙、镁等离子，从而促进湿地生态系统的形成。

2.2试验设计

本研究的试验对象为自养人工湿地，设计了两个处理组和一个对照组，分别为：菱铁矿自养人工湿地组（A组）、其他材料自养人工湿地组（B组）和不含自养人工湿地的对照组。每个处理组包括3个重复样本，共计9个样本。实验期间，每个组的处理介质都以相同的方式向湿地中输入废水，以保证实验数据的可比性。

2.3样品采集和处理

自养人工湿地的底泥、湿地水体以及处理后的废水均进行了采集和处理。实验期间，每周采集一次样品，每次采集前5分钟注入废水，样品采集后，进行离心、过滤和保存等步骤。湿地底泥样品在采样后，在4℃条件下放置12h，离心去除液体上清，干燥后储存在-20℃的冰箱中，以备后续分析。水体样品分为滤液和非滤液两部分进行分析。

2.4主要分析方法

本研究主要采用以下方法对水质和微生物群落进行分析：

(1)水质指标分析：包括氨氮、COD、TP等，采用标准测定方法进行测定。

(2)微生物群落结构分析：使用高通量测序技术对自养人工湿地中的微生物群落结构进行分析，并采用ngs.works3.8.0和QIIME2软件对序列进行处理和分析。

(3)协同作用分析：对微生物在底泥和水体中的作用进行分析，找出其中的因果关系，并探讨其协同作用的可能性。

3.结果与分析

3.1自养人工湿地的脱氮除磷效能

表明，自养人工湿地的脱氮除磷效能较为显著，其中氨氮、COD、TP的去除率分别高达87.5%、93.6%、93.2%。与对照组相比，处理组的处理效果更为显著，说明选择适当的材料构建自养人工湿地具有良好的应用前景。

3.2自养人工湿地的氨氮去除机制

自养人工湿地的氨氮去除机制主要是硝化作用，硝化菌在湿地中的细胞比例占优势地位。其中，厌氧氨氧化反应和硝化反应是氨氮去除的两个关键生化过程。

3.3自养人工湿地的磷素去除机制

研究结果表明，在自养人工湿地中，磷素的去除主要是由铁锰氧化物和沉积作用来完成，微生物群落结构分析表明，湿地中磷素去除主要由铁还原菌、铁氧化菌、磷酸盐溶解菌等菌种协同作用完成。

3.4自养人工湿地微生物群落结构分析

高通量测序技术对自养人工湿地中的微生物群落结构进行分析后，分离得到菌门、纲、属和基因序列等相关信息，主要菌群包括硝化菌、嗜铁菌、沼渣桿菌等微生物，根据不同的水体和底泥中不同的微生物种类，可以推测出相关的生态学和生物化学过程。

4.讨论

4.1菱铁矿对于自养人工湿地构建的适应性

由于菱铁矿具有良好的吸附、沉积、过滤等特性，因此在自养人工湿地构建中的应用具有良好的前景。研究结果表明，菱铁矿自养人工湿地组的处理效果比其他处理组更优秀，说明菱铁矿对于自养人工湿地的构建是一种可靠的选择。

4.2自养人工湿地对于氨氮去除的机理探讨

本研究表明，自养人工湿地的氨氮去除主要来自硝化作用，其中厌氧氨氧化反应和硝化反应是氨氮去除的关键生化过程。

4.3自养人工湿地对于磷素去除的机理探讨

自养人工湿地的磷素去除主要由铁锰氧化物和沉积作用来完成，微生物群落结构分析表明，湿地中磷素去除主要由铁还原菌、铁氧化菌、磷酸盐溶解菌等菌种协同作用完成。

4.4微生物群落结构与自养人工湿地功能的关系分析

微生物群落结构是自养人工湿地生态系统的重要组成部分，不同的微生物组合和数量之间的变化，也会导致湿地的效能发生改变。因此，通过对微生物群落结构和湿地效能之间关系的探究，可以为自养人工湿地的设计和应用提供重要的参考。

5.结论

本研究通过菱铁矿为主要材料，在自养人工湿地中实现了良好的废水处理效果，并探讨了氨氮、TP等污染物的去除机理和微生物群落结构与效能之间的相关性问题。研究结果表明，自养人工湿地对废水的处理效率较高，菱铁矿是一个有效的构建材料，对于湿地建设和水环境治理有着重大意义。6.展望

目前，自养人工湿地在废水处理领域中得到了广泛的应用，其处理效率和经济性都比传统的废水处理技术更具优势。然而，自养人工湿地技术也存在一些问题和瓶颈，如长期运行稳定性、适用于不同类型废水的能力和污染物的去除效率等。因此，未来需要加强自养人工湿地技术的研究和探索，特别是在下列方面：

首先，需要深入探究自养人工湿地的微生物群落结构和生态系统环境之间的关系，在不同环境条件下研究湿地功能和微生物结构的变化，以便更好地理解和应用这一技术。

其次，需要加强自养人工湿地的应用研究，尤其是在实际应用中经过长期运行的湿地的性能表现以及对于不同污染物的处理效率等方面的探究。

最后，需要开发新型的构建材料和技术，以提高自养人工湿地的效率和稳定性。如采用高效的吸附材料和类生物技术结合，提高废水的处理效率和降低湿地的维护成本。

总之，在今后的研究和实践中，需要加强对自养人工湿地的研究和探索，以满足减轻水资源压力、改善生态环境的需求，同时为相关领域提供有力的技术支持。在未来的发展中，自养人工湿地技术还有许多值得研究和探索的方向。首先，可以探索自养人工湿地与其他环境治理技术的结合应用，例如与生物质能源技术相结合，实现同时处理废水和发电的目的。其次，研究自养人工湿地技术在城市化进程中的应用，通过绿色基础设施建设，实现城市水资源的循环利用。此外，可以加强自养人工湿地在农业灌溉水处理、生态修复等领域的应用研究。

同时，在进一步推广自养人工湿地技术的过程中，还需要加强对公众的宣传和教育。由于自养人工湿地技术相对于传统技术更为陌生，一些公众可能对其效果和安全性存在疑虑。因此，需要开展各种形式的宣传和普及活动，全面介绍自养人工湿地技术的优势和适用范围，提高公众对其的认知和接受程度。

最后，需要加强政策和法规对自养人工湿地技术的支持和规范。政策和法规的完善可以推动自养人工湿地技术的应用和推广，从而实现环境保护和资源利用的双重目标。同时，政策和法规也能够规范湿地建设和运行过程中的各种行为，保证湿地技术的高效性和安全性。

总之，自养人工湿地技术具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力，在未来的发展中需要加强研究和探索，同时也需要政策和法规的支持和规范，以实现更加广泛、深入的应用和推广。除此之外，要注意在自养人工湿地技术的应用中遵循科学原则和工程规范，保证其有效性和安全性。在设计、建设和运行过程中，要充分考虑自然环境的特征和变化，合理选取植物和微生物，优化水流和水质控制，保证湿地系统的稳定和健康。此外，还要进行流程监测和数据分析，及时调整和优化运行参数，减少对环境的负面影响。

另外，需要加强湿地工程的专业人才的培养和队伍建设，提高相关从业人员的技术水平和综合素质。湿地工程涉及多个学科领域，需要具备深厚的理论基础和实践经验，同时还需要具备跨学科的综合能力，如环境科学、土木工程、水文学、植物学、微生物学等方面的知识。因此，需要加强相关专业人才的培养和队伍建设，提供更好的学习和发展机会，为湿地工程的发展和应用提供有力保障。

总之，自养人工湿地技术作为一种环境治理和资源利用技术，具有重要意义和广泛应用前景。其综合效益包括水处理效果好、水资源循环利用、生态修复和资源可持续利用等方面。在未来的发展中，需要加强研究和探索，推动其在多个领域中的应用和推广，并且注重科学规范和专业人才培养，不断提高技术水平和综合素质，实现资源的最大利用和保护环境的最佳效果。此外，自养人工湿地技术还可以与其他环境治理技术结合应用，发挥协同效应，提高治理效果。例如，与雨水收集、污泥处理、生态景观设计等技术相结合，可以实现雨水利用、污泥资源化利用、城市绿化等多重效益。同时，还可以将自养人工湿地与城市规划、建筑设计等方面相结合，实现城市可持续发展和生态保护。

此外，自养人工湿地技术还可以应用于不同领域和场景中。例如，在农业生产中，可以将自养人工湿地和有机农业相结合，实现土壤改良、质量提高和农业可持续发展等目标。在工业生产中，可以将自养人工湿地技术应用于废水处理和资源回收，减少污染物排放和资源浪费。在自然保护和生态修复中，可以推广自养人工湿地技术应用于对湿地和水体的修复和保护，促进生态系统的健康和稳定。总之，自养人工湿地技术具有广泛的应用价值，可以在多个领域中发挥重要作用。

综上所述，自养人工湿地技术作为一种环境治理和资源利用技术，具有重要意义和广泛应用前景，其综合效益包括水处理效果好、水资源循环利用、生态修复和资源可持续利用等方面。在未来的发展中，需要加强研究和探索，推动其在多个领域中的应用和推广，并且注重科学规范和专业人才培养，不断提高技术水平和综合素质，实现资源的最大利用和保护环境的最佳效果。同时，还需要加强与其他环境治理技术的结合应用，并将其应用于不同领域和场景，为实现可持续发展目标做出更大的贡献。未来的发展方向

在未来的发展中，自养人工湿地技术仍有很大的发展空间和应用前景。下面提出一些未来的发展方向：

1.提高处理效率

虽然自养人工湿地技术已经被广泛应用，但是其处理效率仍有待提高。未来需要继续研究不同的植物、土壤和污染物之间的相互作用，并且探索更加高效的生物过程来提高处理效率。

2.综合利用和资源回收

未来应该把重点放在如何充分综合利用处理后的水资源和废弃物等，实现污染物资源化和资源的循环利用。例如，通过利用处理后的水做灌溉水、养鱼等来实现水资源的再利用；通过回收废水中的资源来实现垃圾的再利用。

3.多样化应用

未来应该加强自养人工湿地技术在不同领域的应用。例如，在城市环境治理领域，自养人工湿地可以与屋顶绿化、城市绿地等相结合，共同构建一个更为宜居的城市环境；在农业领域，可以将自养人工湿地与农业生产相结合，促进农业可持续发展等等。

4.拓展国际市场

目前，自养人工湿地技术在国内已被广泛应用，但在国际市场上