微塑料暴露下有_无植物人工湿地脱氮性能的对比.pdf
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1、第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.微塑料暴露下有/无植物人工湿地脱氮性能的对比黄 娟李 瑞马溢轩韩庭苇曹美芳钱秀雯(东南大学土木工程学院 南京)摘要:为揭示湿地植物对微塑料暴露湿地脱氮性能的影响构建了 组垂直流人工湿地(黄菖蒲湿地和无植物湿地)对比了聚苯乙烯微塑料()短期和长期暴露下 组湿地植物和微生物生态效应及脱氮性能的差异.结果表明 组湿地均可实现 的有效去除去除率均超过.短期暴露下黄菖蒲湿地体现出更高的脱氮性能而 的长期暴露对黄菖蒲光系统和抗氧化系统将产生不利影响叶片光合色素质量分数下降了.短期及长期暴露下黄菖蒲湿地中微生物物种丰富度和多样性更
2、高硝化细菌和反硝化细菌的整体丰度也高于无植物湿地.以上结果为同步去除污水中氮素和微塑料的人工湿地设计提供了参考.关键词:人工湿地植物脱氮微塑料功能菌中图分类号:文献标志码:文章编号:()/():()().:收稿日期:.作者简介:黄娟()女博士教授博士生导师.基金项目:江苏省科技厅重点研发资助项目().引用本文:黄娟李瑞马溢轩等.微塑料暴露下有/无植物人工湿地脱氮性能的对比.东南大学学报(自然科学版)():.:./.环境中的塑料垃圾经紫外线辐射、机械磨损和生物降解等过程后分解破碎形成小颗粒的微塑料(粒径小于 )对生态系统和人类健康造成威胁.微塑料经地表径流、污水排放等方式进入污水处理系统而传统污
3、水厂中机械搅拌和曝气等流程加速了微塑料的破碎增加了其向自然水体:/.泄漏的风险太湖中检测出全球淡水湖泊浮游生物网中微塑料的最高水平平均丰度为.个/.人工湿地可以通过基质和植物的物理拦截有效去除微塑料但受限于分离和定量的技术手段植物种植在人工湿地去除微塑料中的作用鲜有报道.污水中氮素主要通过微生物驱动的硝化和反硝化过程去除许多研究报道了微塑料对序批式活性污泥工艺()、好氧颗粒污泥、膜生物反应器中硝化和反硝化细菌的毒性作用.与活性污泥工艺相比人工湿地不仅可以通过植物吸收和基质吸附加强氮素的去除还可以通过植物调节刺激微生物活性促进氮素在湿地中的生物降解过程.因此当人工湿地面临微塑料污染胁迫时探究有/
4、无植物人工湿地的脱氮性能和微生物群落差异对理解湿地生态功能尤为重要.研究表明植物具有独特的生长和保护机制受污染物胁迫时会产生适应性生理调节甚至出现枯萎死亡的现象直接影响湿地脱氮性能.同时由于植物的生长状况、泌氧能力和根系分泌物组成影响着湿地微环境微塑料对植物的胁迫可能会影响氮转化功能菌的组成和分布从而间接导致湿地脱氮性能的变化.因此探究微塑料短期和长期暴露下湿地植物生理状况的变化和调控是阐明湿地脱氮影响机制的重要信息.本试验选用聚苯乙烯微塑料()作为研究对象黄菖蒲为试验植物构建了黄菖蒲湿地和无植物湿地旨在探究 短期和长期暴露下有/无植物人工湿地微塑料去除和脱氮性能的差异 对植物光系统和抗氧化系
5、统的影响 以及有/无植物湿地微生物群落结构和脱氮功能细菌丰度的差异.材料与方法.试验材料和合成污水本试验采用的 分散液购自天津倍思乐色谱技术开发中心不含添加剂或塑化剂等杂质成分.使用动态光散射仪()和傅里叶变换红外吸收光谱仪()对微塑料聚合物粒径和类型进行表征如图 所示.样品的平均粒径为 分散性良好无明显聚集且 谱图与聚苯乙烯结构一致.本试验采用的合成污水模拟城市污水处理厂进水水质进行配置以葡萄糖为碳源尿素、硫酸铵为氮源磷酸二氢钾为磷源进水、()粒径分布()图图 分散液的粒径分布和 图、和 的理论质量浓度分别为、/.研究表明污水厂进水中微塑料质量浓度可达到./考虑到未来塑料制品的大规模生产和排
6、放 本试验中 的暴露水平设为 /.正式试验阶段将超声处理()后的 分散液投加进合成污水中配置成质量浓度为/的 悬浮液.人工湿地装置搭建和运行在实验室搭建无植物湿地()和黄菖蒲湿地()组垂直流人工湿地如图 所示.装置主体采用有机玻璃制作内部由上至下填充 层粒径不同的砾石每个装置孔隙体积为 .合成污水以间歇流的方式投加到人工湿地中以水力停留时间()为一个周期连续培养 直至营养物质去除率不随时间发生明显波动即认为装置达到稳定去除其中 的、和 图 人工湿地装置示意图(单位:)第 期黄娟等:微塑料暴露下有/无植物人工湿地脱氮性能的对比:/.平均去除率分别稳定在.、.和.的、平均去除率分别稳定在.、.和.
7、然后向 组湿地中加入含有 的废水.样品采集和测定试验期间每个周期采集人工湿地进水和出水样品按照标准方法测定、和 的浓度.整个试验分为短期暴露()和长期暴露()个阶段各阶段分别收集湿地出水样品采用浊点萃取与热裂解气相色谱质谱联用的方法测定 的浓度.在 短期和长期暴露阶段分别从黄菖蒲湿地中采集生长状态相同的叶片使用南京建成生物工程研究所的试剂盒测定植物的超氧化物歧化酶()、过氧化物酶()、过氧化氢酶()活性和丙二醛()含量并参照 的方法测定叶绿素()、叶绿素()、总叶绿素()和类胡萝卜素()含量.试验结束时分别从 组装置的砂石层的相同深度范围内(深度处)采集 个不同点位的基质样品将 个样品混合均匀
8、后进行 测序探究组间微生物群落差异.数据分析采用 .统计软件通过配对 检验对 组湿地的水质差异进行统计学分析通过皮尔逊相关性分析确定出水中各氮素组成对 去除的贡献.结果与讨论.去除效果对比本试验对 短期和长期暴露下 组湿地出水中的 浓度进行了精确定量如表 所示.和 中 的出水浓度相近短期和长期暴露下去除率均超过.结果表明 组人工湿地均可实现 的高效去除这可能是因为基质和生物膜吸附是湿地去除微塑料的主要机制.出水浓度随暴露时间的延长增加了.说明 在人工湿地中的广泛积累导致基质生物膜和植物根系表 两组人工湿地各阶段 出水浓度阶段出水质量浓度/()短期暴露.长期暴露.吸附位点趋于饱和长期暴露时有泄漏
9、风险.同时湿地内部截留的大量微塑料可能会对湿地微生物和植物产生不利影响亟须进一步探讨.湿地脱氮性能的差异本试验考察了 短期和长期暴露下 组湿地的脱氮效果结果如图 所示.短期()()()()图 两组湿地各阶段、和 的进出水浓度和去除率变化东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.暴露下 和 的 平均出水质量浓度分别为.和./黄菖蒲种植使得 去除效率提高了.(.)长期暴露下组湿地 平均出水质量浓度分别为.和./去除率无显著性差异.类似地短期暴露下 和 的 平均出水质量浓度分别为.和./黄菖蒲种植使 去 除 率 显 著 提 高 了.(.)长期暴露下 组湿地 平均出水质量浓度分别为.和./去除率无显著性差
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