Plant rhizosphere, soil microenvironment, and functional genes in the nitrogen removal process of bioretention  

植物根際、土壤微環境和功能基因在生物滯留氮去除過程中的作用  

來源：Environmental Science: Processes & Impacts, Volume 21, 2019, pages 2070-2079

《環境科學：過程與影響》，第21卷，2019年，第2070-2079頁

 

摘要  

論文摘要指出，生物滯留系統通過植物、土壤和微生物的耦合效應為氮去除提供條件，包括硝化、反硝化和異化硝酸鹽還原為銨（DNRA）等過程。研究評估了植物根際、同位素標記無機氮分布、土壤微環境變化和不同污染負荷下功能基因豐度對模擬生物滯留中氮去除的影響。結果表明，硝化和反硝化速率隨土壤深度增加而降低，整體硝化效率最高比反硝化高3.4-4.4倍。整體硝化速率隨污染負荷增加而降低，但整體反硝化速率增加，表明在高負荷下生物滯留的氮去除有限。根際氧損失（ROL）隨污染負荷增加而增加。根際土壤中DO較高而pH較低，因此根際土壤硝化速率相對較高而反硝化速率較低。硝化速率序列為O（玉簪）> I（鳶尾）> H（麥冬），與不同植物在不同負荷下的DO和pH剖面一致。土壤中16S rRNA基因、硝化基因（amoA、nxrB）和反硝化基因（narG、nirK、qnorB、nosZ）的豐度在植物組高于無植物對照組，表明植物有助于增加土壤微生物豐度。這些基因豐度隨土壤深度增加而降低。表土中反硝化基因拷貝數較多，表明反硝化可能發生在表土的缺氧微環境中或雨水滯留期間。根分泌物和表土積累的有機質可能為局部反硝化提供碳源。  

 

研究目的  

研究目的是追蹤生物滯留中氮轉化和微環境變化，確定植物種類是否改變微生物群落和反硝化過程，并評估污染負荷對生物滯留氮去除的影響。  

 

研究思路  

研究采用模擬生物滯留柱實驗，設置無植物對照組和三種植物組（玉簪、鳶尾、麥冬），施加不同污染負荷（低、中、高）。使用15N同位素標記追蹤氮轉化，微電極系統測量根際DO和pH微剖面，qPCR技術定量功能基因豐度。通過分析氮轉化速率、基因豐度和微環境參數，評估植物和污染負荷對氮去除過程的影響。  

 

測量的數據及研究意義  

1 根際DO和pH微剖面：來自圖4。研究意義：揭示根際氧損失和pH變化，表明根際形成氧化微環境，促進硝化但抑制反硝化，幫助理解植物根際對氮轉化的調控作用。  

 

2 硝化和反硝化速率：來自圖6。研究意義：顯示硝化和反硝化速率隨深度增加而降低，根際硝化速率較高，反硝化速率較低，表明根際氧損失影響氮轉化路徑，為優化生物滯留設計提供依據。  

 

3 15N-NH4+由DNRA產生：來自圖7。研究意義：DNRA貢獻較小，隨深度增加而降低，根際氧損失抑制DNRA，表明在生物滯留中DNRA不是主要氮去除途徑。  

 

4 功能基因豐度（16S rRNA、amoA、nxrB、narG、nirK、qnorB、nosZ）：來自圖8。研究意義：基因豐度在植物組高于對照組，且隨深度增加而降低，表明植物促進微生物豐度，表土基因豐度高支持反硝化在表土微環境中發生，指導生物滯留的微生物管理。  

 

 

結論  

1 生物滯留整體反硝化效率約10%，隨污染負荷增加而降低，表明高負荷下氮去除有限。  

2 植物根際氧損失創建氧化微環境，促進硝化但抑制反硝化和DNRA，不同植物種類影響氮去除效率，序列為O > I > H。  

3 功能基因豐度在植物組較高，且隨深度增加而降低，表土反硝化基因豐度高，表明反硝化可能發生在表土缺氧微環境中。  

4 根分泌物和有機質積累為反硝化提供碳源，但根氧消耗對COD氧化和硝化貢獻較小。  

5 建議采用淺層生物滯留單元和選擇深根植物以提高氮去除效率。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

研究中使用了丹麥Unisense的氧微電極和pH微電極測量根際DO和pH微剖面。這些測量數據揭示了根際氧損失（ROL）的動態和微環境變化。具體研究意義包括：量化根際氧通量，顯示ROL隨污染負荷增加而增加，表明植物通過增加氧分泌適應高負荷環境；DO微剖面顯示根際形成氧化區，促進硝化但抑制反硝化，幫助解釋氮轉化空間異質性；pH微剖面顯示根際酸化，可能由于銨吸收和硝化過程，影響微生物活性和氮轉化路徑；這些微電極數據提供了高分辨率時空信息，支持植物-微生物相互作用的機制理解，為優化生物滯留的氧管理和植物選擇提供實踐指導。