人工湿地修复有机磷农药污染水体的作用及机制研究

The organic phosphorous pesticide benefits the harvest of agriculture, but brings potential harmfulness to nature and human being in the meantime. It threats the safety of aquatic ecosystem and production of drinking water when it discharges into waters. How to treat the pesticide wastewater and/or polluted waters efficiently is significant to the health of human and ecological environment. Constructed wetland (CW) is one kind of measures for non-point-source pollution control, which owns higher efficiency but lower cost. After selecting suitable macrophytes for phytoremediation of organic phosphorous pesticide triazophos in hydroponic system, the performance and mechanism of removing triazophos by constructed wetland with Canna indica and Thalia dealbata will be studied in this project. The removal efficiencies of triazophos by CW under different condition such as initial concentration, hydraulic loading, season, and so on, will be detected to work out the operating parameters and optimized operational mode of CW. The fate of triazophos in CW will be analyzed to investigate the roles of adsorption, bio-absorption, bioaccumulation, degradation for triazophos removal in CW. The response of macrophytes, the activities of organic substances degradation related enzyme such as phosphatase, urease and so on, and the dynamic of microorganism community in rhizosphere will be studied to explore the biological mechanisms of triazophos removal in CW. These will promote the utilization of CW for organic phosphorous pesticide pollution control and provide a remediation measure for organic pollutants contaminated waters.

有机磷农药在给农业生产带来收益的同时，也给自然和人类带来一定的隐忧，进入水体威胁到水生态系统健康和安全饮用水的生产。如何高效安全地处理含农药污水或受污染水体，对人类健康与生态环境有着重要的现实意义。人工湿地是一种高效低耗的面源污染控制技术手段。本项目在筛选出了对有机磷农药三唑磷去除效果较好的湿地植物基础上，开展种植美人蕉、再力花等植物的人工湿地对水体中三唑磷的去除效果与机制研究。研究不同运行条件下（进水污染物浓度、水力负荷和季节）人工湿地去除三唑磷的效果，确定人工湿地较佳运行参数与模式；剖析三唑磷在人工湿地中的归趋，探讨其基质吸附、植物吸收累积、微生物降解途径；研究人工湿地植物响应、基质中与有机物降解有关的磷酸酶、脲酶等酶活性及植物根区微生物群落动态，探讨人工湿地去除三唑磷的生物学机制。本研究为人工湿地控制有机磷农药面源污染应用提供科学依据，为受有机物污染水体治理提供一种修复方式。

本项目针对有机磷农药污染导致地表水体污染的状况，以三唑磷（TAP）为研究对象，开展人工湿地对水体有机磷农药的去除作用与机制研究。通过优化固相萃取前处理操作条件，建立了固相萃取-高效液相色谱联用（SPE-HPLC）测定水体、美人蕉（Canna indica）及陶粒中TAP的分析方法，加标回收率达到86.5%-95.7%。构建了种植美人蕉陶粒基质的水平潜流人工湿地小试系统，研究不同水力负荷、不同季节、不同起始TAP浓度运行条件下人工湿地去除三唑磷的效果。水力负荷为100 mm/d时，人工湿地对不同进水浓度的三唑磷（0.1/1.0/5.0 mg/L）的平均去除率分别为94.3%、97.8%、84%；水力负荷为200 mm/d时，仅对于高浓度的进水三唑磷（5.0 mg/L）的去除率下降，而其他浓度组无下降，可见，针对一般污染水体，该水平潜流湿地表现出很好的TAP去除效率，水力负荷可以采用200 mm/d。通过在人工湿地侧面布置采样点检测分析TAP浓度，运用MATLAB软件插值模拟TAP在湿地内部的降解情况; 分析了人工湿地水流沿程不同位置美人蕉不同器官中的TAP含量和不同位置陶粒吸附的TAP含量，计算表明人工湿地系统所去除的TAP中， 0.2%的TAP残留在湿地植物美人蕉体内而被收割去除，约5.0%左右的TAP是通过湿地基质陶粒的吸附而残留，绝大部分的TAP可能是通过植物、微生物降解等作用而去除。研究了湿地陶粒基质与三唑磷降解有关的磷酸酶、脲酶等转化酶活性；探讨了人工湿地中美人蕉对三唑磷的响应,包括叶片荧光活性、根系酶活性、根系分泌物等的影响；研究了湿地系统微生物群落结构与动态，采用高通量测序分析微生物组成的系统差异及季节差异，并测定了相应的优势菌群。夏季，Proteobacteria 是优势菌群；冬季，Firmicutes 成为优势菌群，其中芽孢杆菌纲Bacilli 是主要纲，芽孢杆菌属Bacillus是优势菌，是导致冬季基质脲酶活性较高的主要因素，与三唑磷降解密切相关，揭示了该人工湿地去除TAP的生物学机制，植物、微生物降解作用是TAP去除的主要途径。人工湿地湿地可以有效地去除TAP，可以作为有机磷农药污染水体的修复技术措施。