塘渠动态水网生态修复技术的微生物响应机制

Water pollution in China rural areas is deteriorating. It is urgent to develop a simple, high-effective, and economic treatment technology to solve this problem. Based on the reality of rural areas, our team has recently constructed a Pond-ditch circulation system (PDCS). Our previous studies have proven that the PDCS can effectively remediate the rural polluted water in Southern China. From the point of view of mass conservation of nutrition (nitrogen and phosphorus) in the polluted water and substrate, this project will investigate the dynamic relation between microorganism and water quality variables/ gas fluxes / root exudate using biological statistics, respectively, to elucidate the microbial response mechanisms of nitrogen and phosphorus removal in the PDCS. The parameters of microorganism such as microbial structure, functional genes, potential rate, gas flux, and root exudate and root microorganism will be investigated using qPCR, HTS, IPT, HPLC and HPGC technologies. It will provide a theoretical foundation and scientific basis for the functional optimization and practical application of the system.

我国农村水环境污染问题日益突出，亟待发展简便、高效、经济的处理技术。课题组针对农村现状特点，构建了塘渠动态水网生态修复系统，前期研究证明该系统能有效改善农村水环境质量。本研究从污水和基质中不同形态营养物质的变化角度出发，采用qPCR、HTS高通量测序法、同位素配对法、高效气相色谱和高效液相色谱等技术手段，以微生物功能基因、脱氮速率、气体通量、根际分泌物及根际微生物、微生物群落结构为主要技术指标，通过生物统计学方法研究微生物与水质指标、气体通量、根系分泌物之间的动态关系，从而揭示微生物在塘渠动态水网生态修复系统脱氮除磷过程中的响应机制。这将为塘渠动态水网生态修复系统的功能优化及实际应用提供理论基础和科学依据。

我国农村水环境污染问题日益突出，亟待发展简便、高效、经济的处理技术。水体的流动性可以表征一个水生生态系统的健康性，修复河-塘-渠水网系统的生态结构和功能十分重要。本项目以塘渠动态水网生态修复系统（PDCS）为研究对象，从微生物群落结构、功能基因、脱氮速率、气体通量变化、根际分泌物等多个方面来揭示微生物对PDCS 系统脱氮除磷的响应机制。主要结果如下：.1、定量分析PDCS系统运行过程中了脱氮气体排放总量，并采用偏最小二乘法（PLS），阐明了影响气体排放的主要的理化指标。结果表明，PDCS 系统中N2O和NO排放通量占初始总氮负荷的0.17–4.32%。偏最小二乘法的模型分析发现水体TN、NO3--N和salinity与N2O和NO 排放通量正相关；而水体turbidity和基质中的ORP与N2O和NO 排放通量负相关。.2、从分子层面，定量化阐明了PDCS系统的微生物脱氮除磷过程。回归分析和路径分析研究发现nosZ/(nirS+nirK) 和 nxrA/amoA 是分别影响TN和NH4+-N转化过程中最重要的两个功能基因群。而NO3--N和 NO2--N的转化过程均是由功能基因群narG/nxrA决定的。参与微生物聚磷代谢PPK和PPX酶活性先增加后降低。Bacillus和Clostridium 是PDCS系统中磷去除的优势菌群。STP和微生物菌群是PPK和PPX活性最主要的限定因子。W-temp、DO和OM是通过间接调节优势物种的相对丰度和STP，进而影响PPK和PPX活性。.3、探讨PDCS系统植物根系分泌物的组成及动态变化，解析根际微生物的群落结构的变化及其主要影响因子。酒石酸与营养物质的去除率和土壤性质显著相关。乳酸、蛋白质和氨基酸对Geobacter菌群有较强的积极作用。蛋白质、氨基酸和乳酸，调节了根际微生物的相对丰度和多样性，从而影响了PDCS营养物质去除过程，其影响具有物种依赖性。