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

誘導根系冗余發育釋放氧氣：地下流人工濕地的高效自然充氧方法

來源：Environmental Research 239 (2023) 117377

 

1. 摘要核心內容

 

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

 

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

 

 

氧環境提升：僅依賴POR時（A組），根區DO達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TN、TP去除率最高（86.5%、76.9%），淺層濕地（0.1m）效果更優（圖3）。

 

 

微生物機制：根系冗余促進好氧微生物（如黃桿菌屬Flavobacterium、動膠菌屬Zoogloea）富集，增強硝化（hao, amoABC基因）及植物吸收（nrtABC基因）（圖6-7）。

 

 

 

 

2. 研究目的

 

明確SSF CWs中主要氧源機制（進水氧IO、大氣復氧AR、植物泌氧POR）的作用。

探究限制外源氧對植物根系形態和生理的響應特性。

揭示根系冗余增強POR的機制及其對污染物去除效率的影響。

 

3. 研究思路

 

采用三因素控制實驗：

 

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）

濕地深度設計：

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

 

觀測指標：

植物形態（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預測）

 

4. 測量數據及研究意義

指標 圖表 研究意義

根區DO 圖2b 核心發現：僅POR時DO達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)），揭示根系形態驅動泌氧能力。

須根比例 圖4b A組須根比例達53.68%，冗余發育增強氧傳輸表面積。

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

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制。

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

 

5. 核心結論

 

根系冗余是核心策略：限制外源氧刺激根系冗余發育（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，根區DO可維持2–4 mg/L，滿足微生物好氧代謝需求。

污染物去除機制：

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

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

工程應用價值：誘導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電極數據的詳細解讀

技術優勢

 

高空間分辨率：25μm尖端（型號OX-25）可穿透根鞘，實現活體根際0–2000μm深度pO?梯度監測（文獻未直接展示梯度圖，但圖2b-c數據源于此）。

動態ROL量化：通過離體測量根系泌氧速率（ROL），直接關聯根系形態與泌氧能力（圖2c）。

 

關鍵發現與意義

觀測點 數據 科學意義

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

ROL與根系形態關聯 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，為根系育種提供表型靶點。

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

研究價值

 

機制解析：首次通過原位監測證明根系冗余直接改善根際氧微環境，突破傳統DO監測局限（混合液DO無法反映根際異質性）。

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

應用指導：ROL數據（圖2c）明確淺層濕地（0.1m）為最優設計，ROL深度每增加0.1m降低約30%（CW1 > CW2 > CW3）。

 

總結

 

本研究通過Unisense電極數據，確證誘導根系冗余可自然提升SSF CWs氧環境，突破傳統曝氣技術的高能耗瓶頸。其核心價值在于：

 

機制創新：建立“根系形態→ROL→根區DO→微生物功能→污染物去除”完整鏈條（圖2–7）。

工程優化：明確淺床設計（<0.4m）結合根系冗余為最優策略，TN/TP去除率提升10–30%（圖3）。

 

技術標桿：Unisense電極實現毫米級根際氧監測，為濕地研究提供高分辨率數據支撐。

實踐意義：該策略無需外源能源，適用于分布式污水處理，助力“雙碳”目標下的低碳治水技術發展。