標題：Vertical-scale spatial influence of radial oxygen loss on rhizosphere microbial community in constructed wetland

根際微生物群落在人工濕地中受徑向氧耗影響的垂直尺度空間影響

來源：Environment International 171 (2023) 107690

 

摘要內容

摘要揭示了人工濕地（CWs）中植物根系徑向氧損失（ROL）對根際微生物群落的垂直空間分異影響。ROL隨深度增加而遞減，在根際形成氧化-還原梯度微生態系統：上層高ROL支持好氧菌（如Haliangium）生長，促進COD（60%）和NH??-N（50%）的去除；下層低氧環境富集反硝化菌（如Hydrogenophaga和Ralstonia）和甲烷氧化菌（Methanobacterium），強化反硝化作用。功能預測表明，硝化基因（如amoA）在上層豐度高，反硝化基因（如narG）在下層顯著富集，證實氧濃度梯度驅動氮轉化功能的空間分異。這一發現深化了對人工濕地污染物去除機制的理解。

 

研究目的

研究旨在闡明：

1.ROL的垂直分布特征：量化ROL沿根際深度（0–30 cm）的梯度變化及其與污染物去除效率的關聯；

2.微生物生態位分異：揭示ROL如何驅動好氧/厭氧微生物群落的垂直空間分異；

3.污染物去除機制：解析ROL-微生物協同作用對COD、NH??-N和TN去除的貢獻；

4.植物-微生物互作：探究植物抗氧化響應（如SOD、CAT）與微生物代謝功能的耦合關系。

 

研究思路

研究采用“垂直分層觀測-多參數關聯分析-機制驗證”策略：

1.垂直分層設計：將人工濕地根際按深度分為上層（0–10 cm）、中層（10–20 cm）和下層（20–30 cm），同步監測ROL、污染物（COD、TN、NH??-N）去除效率及環境參數（溫度、pH）。

2.微生物群落分析：通過高通量測序（16S/ITS rRNA）解析不同深度微生物組成，結合功能預測（PICRUSt2）和酶活性（AMO、NAR、NIR）測定，明確氮/碳代謝功能的空間分異（圖4b-c）。

3.植物生理響應：測定根系抗氧化酶（SOD、CAT、POD）、ADH活性及MDA含量，評估低氧脅迫下的植物應激機制。

4.因果關聯驗證：利用結構方程模型（SEM）和隨機森林分析，量化ROL對微生物群落、酶活性及污染物去除的直接/間接效應。

 

測量的數據及其研究意義

研究測量了多維度數據，每項數據均來自文檔中的圖表，其研究意義如下：

 

ROL梯度與污染物去除（圖1a）：ROL從上層（2 mg/L）遞減至下層（0.5 mg/L），COD/NH??-N去除率隨深度降低（60%→50%、51%→35%），TN去除率升高（31%→45%）。意義：首次量化ROL垂直梯度與污染物去除的空間匹配性，證實上層好氧過程主導碳/氨氮去除，下層厭氧過程強化脫氮。

 

 

微生物群落垂直分異（圖3a-b）：上層富集好氧菌Haliangium（相對豐度30%），下層富集反硝化菌Hydrogenophaga（12.4%）和甲烷氧化菌Methanobacterium（98.7%）。意義：揭示ROL驅動的氧梯度是微生物生態位分異的關鍵驅動力，為人工濕地功能分區設計提供依據。

 

 

功能基因與酶活性（圖4b-c）：上層amoA基因豐度高（+40.5%），AMO活性強（3.86倍于下層）；下層narG/nirS基因富集（+29.2%），NAR/NIR活性高（0.33–0.29倍于上層）。意義：從分子水平證實ROL通過調控功能基因表達，驅動硝化（上層）與反硝化（下層）的空間分工。

 

植物低氧應激響應（圖2c）：下層根系MDA含量升高4.2%（脂質過氧化標志），SOD/CAT/POD活性增加52.9–66.7%，ADH活性達峰值。意義：闡明植物通過抗氧化酶系統和ADH途徑適應低氧脅迫，維持根系功能穩定性。

 

 

ROL的核心作用（圖5b）：SEM顯示ROL對微生物群落的路徑系數最高（0.033），直接驅動NH??-N（權重0.4）和TN（權重1.229）去除。意義：量化ROL在“植物-微生物-污染物”互作網絡中的樞紐地位。

 

丹麥Unisense微電極測量數據的詳細解讀

研究使用丹麥Unisense微電極系統（OXY25、ROX-N、pH-N）實現根際多參數同步監測，其核心研究意義如下：

ROL梯度精準量化：微電極以微米級分辨率（探頭直徑≤100 μm）原位測定根際溶解氧（DO），發現ROL從根尖到基部遞減（圖1a）。這一梯度直接解釋NH??-N去除的空間差異（R=0.945, p<0.001），為“氧分區理論”提供實驗證據。

動態關聯機制：同步監測DO、Eh、pH顯示，ROL與Eh正相關（R=0.87）、與pH負相關（R=-0.76），證實氧釋放提升根際氧化還原電位，酸化局部環境（根系分泌有機酸），共同塑造微生物棲息地。

技術優勢：相較于傳統溶氧儀，Unisense微電極的微創探頭可插入根-土界面而不擾動微環境，其高靈敏度（檢出限0.2 μmol/L）和快速響應（<2秒）特性，為根際微區氧動力學研究提供可靠工具。

 

結論

研究得出以下核心結論：

1.ROL驅動垂直分異：ROL沿深度遞減（2→0.5 mg/L），形成“好氧-兼性-厭氧”微環境，直接決定微生物群落組成（Haliangium上層富集，Hydrogenophaga下層富集）和功能基因表達（amoA↑上層，narG↑下層）。

2.污染物去除空間分工：上層高ROL促進好氧硝化（NH??-N去除率50%），下層低氧驅動反硝化與甲烷氧化耦合（TN去除率45%），COD去除依賴全層微生物協同（60%）。

3.植物-微生物互作：低氧脅迫誘導下層根系抗氧化酶（SOD/CAT/POD）和ADH活性升高，維持根系活力，支持微生物碳源供給。

4.ROL的核心地位：SEM量化ROL對污染物去除的直接效應（TN路徑系數1.229），凸顯其在人工濕地設計中的調控價值。