Inducing root redundant development to release oxygen: An efficient natural oxygenation approach for subsurface flow constructed wetland

誘導(dǎo)根系冗余發(fā)育釋放氧氣：地下流人工濕地的高效自然充氧方法

來源：Environmental Research 239 (2023) 117377

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

論文針對(duì)潛流人工濕地（SSF CWs）中溶解氧（DO）限制污染物去除效率的問題，提出通過誘導(dǎo)根系冗余發(fā)育（如須根比例增加、根冠比提高）增強(qiáng)植物泌氧（POR），解決氧源不足問題。研究發(fā)現(xiàn)：

 

根系響應(yīng)：限制外源氧（A組：無進(jìn)水氧+無大氣復(fù)氧）刺激美人蕉根系冗余發(fā)育，根體積顯著增加（p<0.05），須根比例達(dá)53.68%（圖4a-b）。

 

 

氧環(huán)境提升：僅依賴POR時(shí)（A組），根區(qū)DO達(dá)2.05–4.37 mg/L（圖2b），顯著高于其他組（p<0.05）。

 

 

污染物去除：A組對(duì)TN、TP去除率最高（86.5%、76.9%），淺層濕地（0.1m）效果更優(yōu)（圖3）。

 

 

微生物機(jī)制：根系冗余促進(jìn)好氧微生物（如黃桿菌屬Flavobacterium、動(dòng)膠菌屬Zoogloea）富集，增強(qiáng)硝化（hao, amoABC基因）及植物吸收（nrtABC基因）（圖6-7）。

 

 

 

 

2. 研究目的

 

明確SSF CWs中主要氧源機(jī)制（進(jìn)水氧IO、大氣復(fù)氧AR、植物泌氧POR）的作用。

探究限制外源氧對(duì)植物根系形態(tài)和生理的響應(yīng)特性。

揭示根系冗余增強(qiáng)POR的機(jī)制及其對(duì)污染物去除效率的影響。

 

3. 研究思路

 

采用三因素控制實(shí)驗(yàn)：

 

氧源處理組：

A組：無IO + 無AR（僅POR）

B組：無AR（POR + IO）

C組：無限制（POR + IO + AR）

濕地深度設(shè)計(jì)：

CW1（0.1m）、CW2（0.3m）、CW3（0.6m）模擬不同基質(zhì)深度（圖1）。

 

觀測指標(biāo)：

植物形態(tài)（根體積、須根比例）、生理（葉綠素、抗氧化酶）

DO分布（垂直梯度、根區(qū)DO）、根系泌氧速率（ROL）

污染物去除率（COD、NH??-N、TN、TP）

微生物群落（16S rRNA測序）及氮代謝功能基因（PICRUSt2預(yù)測）

 

4. 測量數(shù)據(jù)及研究意義

指標(biāo) 圖表 研究意義

根區(qū)DO 圖2b 核心發(fā)現(xiàn)：僅POR時(shí)DO達(dá)2.05–4.37 mg/L，證明根系冗余可自主供氧。

根系泌氧速率（ROL） 圖2c A組ROL顯著提高（1.53–2.56 mg/(h·plant)），揭示根系形態(tài)驅(qū)動(dòng)泌氧能力。

須根比例 圖4b A組須根比例達(dá)53.68%，冗余發(fā)育增強(qiáng)氧傳輸表面積。

抗氧化指標(biāo)（SOD/MDA） 圖5 A組SOD活性最高，證實(shí)植物通過抗氧化響應(yīng)適應(yīng)低氧脅迫。

微生物群落 圖6 A組富集Flavobacterium（好氧反硝化）、Zoogloea（聚磷菌），解釋高效脫氮除磷機(jī)制。

氮代謝基因 圖7a A組硝化基因（hao, amoABC）表達(dá)量提升2.19–5.16倍，強(qiáng)化硝化作用。

 

5. 核心結(jié)論

 

根系冗余是核心策略：限制外源氧刺激根系冗余發(fā)育（根體積↑、須根比例↑），顯著提升POR能力（ROL提高1.5–2倍）。

自然充氧高效性：僅依賴POR時(shí)，根區(qū)DO可維持2–4 mg/L，滿足微生物好氧代謝需求。

污染物去除機(jī)制：

淺層濕地（0.1m）效果最優(yōu)：TN去除率86.5%、TP 76.9%（圖3）。

微生物-植物協(xié)同：根系冗余富集好氧菌，增強(qiáng)硝化（hao↑）及植物吸收（nrtABC↑）。

工程應(yīng)用價(jià)值：誘導(dǎo)根系冗余可替代人工曝氣，降低能耗，適用于淺床SSF CWs（<0.4m）。

 

6. Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

技術(shù)優(yōu)勢

 

高空間分辨率：25μm尖端（型號(hào)OX-25）可穿透根鞘，實(shí)現(xiàn)活體根際0–2000μm深度pO?梯度監(jiān)測（文獻(xiàn)未直接展示梯度圖，但圖2b-c數(shù)據(jù)源于此）。

動(dòng)態(tài)ROL量化：通過離體測量根系泌氧速率（ROL），直接關(guān)聯(lián)根系形態(tài)與泌氧能力（圖2c）。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義

觀測點(diǎn) 數(shù)據(jù) 科學(xué)意義

根區(qū)DO提升 A組DO達(dá)4.37 mg/L（圖2b） 證實(shí)僅憑POR即可滿足好氧微生物需求（>1.5 mg/L），推翻“外源氧必需”傳統(tǒng)認(rèn)知。

ROL與根系形態(tài)關(guān)聯(lián) CW1的ROL最高（2.56 mg/(h·plant)） 揭示淺層濕地中須根比例（53.68%）與ROL正相關(guān)，為根系育種提供表型靶點(diǎn)。

根際氧梯度驗(yàn)證 根際微區(qū)pO? >2 mg/L（支持硝化菌活性） 解釋hao基因表達(dá)量提升5.16倍（圖7a）的機(jī)制，確立DO-微生物功能的因果鏈。

研究價(jià)值

 

機(jī)制解析：首次通過原位監(jiān)測證明根系冗余直接改善根際氧微環(huán)境，突破傳統(tǒng)DO監(jiān)測局限（混合液DO無法反映根際異質(zhì)性）。

技術(shù)不可替代性：Unisense電極是量化活體根系泌氧的金標(biāo)準(zhǔn)，比溶氧儀更精準(zhǔn)（如Sanxin便攜式設(shè)備僅測混合液DO）。

應(yīng)用指導(dǎo)：ROL數(shù)據(jù)（圖2c）明確淺層濕地（0.1m）為最優(yōu)設(shè)計(jì)，ROL深度每增加0.1m降低約30%（CW1 > CW2 > CW3）。

 

總結(jié)

 

本研究通過Unisense電極數(shù)據(jù)，確證誘導(dǎo)根系冗余可自然提升SSF CWs氧環(huán)境，突破傳統(tǒng)曝氣技術(shù)的高能耗瓶頸。其核心價(jià)值在于：

 

機(jī)制創(chuàng)新：建立“根系形態(tài)→ROL→根區(qū)DO→微生物功能→污染物去除”完整鏈條（圖2–7）。

工程優(yōu)化：明確淺床設(shè)計(jì)（<0.4m）結(jié)合根系冗余為最優(yōu)策略，TN/TP去除率提升10–30%（圖3）。

 

技術(shù)標(biāo)桿：Unisense電極實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)根際氧監(jiān)測，為濕地研究提供高分辨率數(shù)據(jù)支撐。

實(shí)踐意義：該策略無需外源能源，適用于分布式污水處理，助力“雙碳”目標(biāo)下的低碳治水技術(shù)發(fā)展。