標(biāo)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(nèi)容

摘要揭示了人工濕地（CWs）中植物根系徑向氧損失（ROL）對(duì)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(tài)系統(tǒng)：上層高ROL支持好氧菌（如Haliangium）生長，促進(jìn)COD（60%）和NH??-N（50%）的去除；下層低氧環(huán)境富集反硝化菌（如Hydrogenophaga和Ralstonia）和甲烷氧化菌（Methanobacterium），強(qiáng)化反硝化作用。功能預(yù)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(shí)氧濃度梯度驅(qū)動(dòng)氮轉(zhuǎn)化功能的空間分異。這一發(fā)現(xiàn)深化了對(duì)人工濕地污染物去除機(jī)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(guān)聯(lián)；

2.微生物生態(tài)位分異：揭示ROL如何驅(qū)動(dòng)好氧/厭氧微生物群落的垂直空間分異；

3.污染物去除機(jī)制：解析ROL-微生物協(xié)同作用對(duì)COD、NH??-N和TN去除的貢獻(xiàn)；

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

 

研究思路

研究采用“垂直分層觀測-多參數(shù)關(guān)聯(lián)分析-機(jī)制驗(yàn)證”策略：

1.垂直分層設(shè)計(jì)：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(jiān)測ROL、污染物（COD、TN、NH??-N）去除效率及環(huán)境參數(shù)（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(jié)合功能預(yù)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(yīng)：測定根系抗氧化酶（SOD、CAT、POD）、ADH活性及MDA含量，評(píng)估低氧脅迫下的植物應(yīng)激機(jī)制。

4.因果關(guān)聯(lián)驗(yàn)證：利用結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）和隨機(jī)森林分析，量化ROL對(duì)微生物群落、酶活性及污染物去除的直接/間接效應(yīng)。

 

測量的數(shù)據(jù)及其研究意義

研究測量了多維度數(shù)據(jù)，每項(xiàng)數(shù)據(jù)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(shí)上層好氧過程主導(dǎo)碳/氨氮去除，下層厭氧過程強(qiáng)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(duì)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(qū)動(dòng)的氧梯度是微生物生態(tài)位分異的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，為人工濕地功能分區(qū)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

 

 

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(qiáng)（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(shí)ROL通過調(diào)控功能基因表達(dá)，驅(qū)動(dòng)硝化（上層）與反硝化（下層）的空間分工。

 

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

 

 

ROL的核心作用（圖5b）：SEM顯示ROL對(duì)微生物群落的路徑系數(shù)最高（0.033），直接驅(qū)動(dòng)NH??-N（權(quán)重0.4）和TN（權(quán)重1.229）去除。意義：量化ROL在“植物-微生物-污染物”互作網(wǎng)絡(luò)中的樞紐地位。

 

丹麥Unisense微電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

研究使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（OXY25、ROX-N、pH-N）實(shí)現(xiàn)根際多參數(shù)同步監(jiān)測，其核心研究意義如下：

ROL梯度精準(zhǔn)量化：微電極以微米級(jí)分辨率（探頭直徑≤100 μm）原位測定根際溶解氧（DO），發(fā)現(xiàn)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(qū)理論”提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)機(jī)制：同步監(jiān)測DO、Eh、pH顯示，ROL與Eh正相關(guān)（R=0.87）、與pH負(fù)相關(guān)（R=-0.76），證實(shí)氧釋放提升根際氧化還原電位，酸化局部環(huán)境（根系分泌有機(jī)酸），共同塑造微生物棲息地。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：相較于傳統(tǒng)溶氧儀，Unisense微電極的微創(chuàng)探頭可插入根-土界面而不擾動(dòng)微環(huán)境，其高靈敏度（檢出限0.2 μmol/L）和快速響應(yīng)（<2秒）特性，為根際微區(qū)氧動(dòng)力學(xué)研究提供可靠工具。

 

結(jié)論

研究得出以下核心結(jié)論：

1.ROL驅(qū)動(dòng)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(huán)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(dá)（amoA↑上層，narG↑下層）。

2.污染物去除空間分工：上層高ROL促進(jìn)好氧硝化（NH??-N去除率50%），下層低氧驅(qū)動(dòng)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(xié)同（60%）。

3.植物-微生物互作：低氧脅迫誘導(dǎo)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(duì)污染物去除的直接效應(yīng)（TN路徑系數(shù)1.229），凸顯其在人工濕地設(shè)計(jì)中的調(diào)控價(jià)值。