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科学研究

程羽霄等人发表WR文章:增加隔板和种植植物优化后的潮汐复合流人工湿地系统高效去除药物与个人护理品

2021-02-05 08:56:16 来源:金沙官网环境研究院 点击:

近日,金沙官网环境研究院刘有胜研究员(应光国教授团队)与珠江水利科学研究院陈军高工以及中科院广州地化所杨永强副研究员等人合作,在Water Research上发表了题为:Highly enhanced biodegradation of pharmaceutical and personal care products in a novel tidal flow constructed wetland with baffle and plants的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2021.116870)。

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图文摘要

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成果简介

本研究优化了3种潮汐复合流人工湿地(隔板,植物,隔板和植物),并对比分析了工艺优化对PPCPs去除效率和机理的影响。结果发现增加隔板和种植植物能显著影响PPCPs的去除。同时增加隔板和种植植物湿地组对杀生剂(97.1 ± 0.29%),类固醇激素(99.8 ± 0.02%)和抗生素(90.2 ± 1.60%)的去除率最高。质量平衡结果表明微生物降解是优化后湿地系统中PPCPs去除的主要途径(去除占比>85.7%),其次是基质吸附(5.22×102~14.3%)和植物吸收(1.66×103~0.44%)。16S rDNA测序结果显示隔板和植物组通过增加微生物多样性和改变优势微生物而提高了PPCPs的去除效率。此外,通过LEfSe分析(门水平),Thaumarchaeota可能是去除PPCPs的关键功能微生物。

引言

人工湿地是人工建造模仿天然湿地的物理,化学和生物过程进行污水处理,具有操作简单,易于维护,可靠的处理效果和低成本。潮汐人工湿地(TFCW)通过“填充/湿”相和“排干/干”相的定期循环显著提高了再充氧效率,从而能有效提高对废水中氮素的去除,但其是否能有效去除PPCPs及其去除机制不清楚。另外,过去研究多集中在系统优化对污染物去除过程上,对其中微生物的多样性和群落结构变化和差异缺乏研究。因此,本研究从污染物去除和微生物响应综合探讨潮汐流人工湿地设计优化(包括水流路径和种植湿地植物)过程对PPCPs的去除机理,指导人工湿地系统优化高效去除新型污染物。

图文导读

潮汐流人工湿地的工艺优化及采样点设计

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Fig. 1 The design of TFCWs and the setting of corresponding sampling points.

在A和C湿地中间增加隔板以改变水流方向,在B和C装置中种植美人蕉。由于隔板的存在,A和C装置被分为两部分,每一部分均设计出水口,即中间出水口和最终出水口。运行模式为进水不排水,进水开始30 min后再排水,在表层20 cm填料营造间歇性淹水环境。排水吸空气有利于表层滤料复氧,污水的水力停留时间设置为12 h。每3 h间隔进水一次,每次11.25 L污水。

PPCPs的水相浓度及去除

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Fig. 2 Concentrations of detected antibiotics, steroid hormones, and biocides in target TFCWs.

共检出24种PPCPs包括7种抗生素,8种类固醇激素和9种杀生剂。3个TFCW对24种检测到的PPCPs去除率变化较大,范围2.90 ± 2.43%~100%。三种类型的TFCW对PPCPs去除有效,总去除率均高于92.9 ± 0.20%。其中,TFCW C对于PPCPs的去除率最高。TFCW C对∑抗生素和∑杀生物剂的去除率显着高于TFCW A和B,对∑PPCPs的去除率达到97.4 ± 0.15%(p <0.05)。

湿地基质和植物中PPCPs残留

湿地基质样品中,检出13种PPCPs,包括4种抗生素,4种类固醇激素和5种杀生剂。植物样品中,检出13种PPCPs,包括4种抗生素,4种类固醇激素和5种杀生剂。抗生素的浓度范围为118 ± 12.9 ng / g~228 ± 20.6 ng / g。类固醇激素为5.30 ± 0.22 ng / g~5.71 ± 0.73 ng / g;杀生剂为414 ± 55.5 ng / g~418 ± 27.1 ng / g。基质和植物中所有检测到的PPCPs的浓度都是长期积累的结果,同时也也表明基质吸附和植物吸收在去除TFCW中检测到的PPCP中起了部分作用。

微生物多样性差异

Beta多样性分析表明SC1物种多样性最高,并且显著高于SC2且与SA1,SA2和SB组显著不同。PCA分析表明,均种植了美人蕉的SB和SC1的物种组成相似。对673个属中相对丰度大于1%的属进行了LEfSe分析,发现5个基质样品中有36种不同的优势物种,其中SA1,SA2,SB,SC1和SC2中分别有11、1、13、3和8个。ArchaeBacteria界是SC1和SB中的优势物种,GammaproteobacteriaBurkholderiaceae是SA1中的优势物种,Proteobacteria是SB的优势物种,Nitrososphaeria是SC1的重要物种,AnaerolineaeChloroflexi是SC2的优势物种。

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Fig. 3 The results of beta diversity analysis, PCA analysis, and LEfSe analysis based on 16S rRNA gene amplicon sequencing in target TFCWs.

生态风险评价

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Fig. 4 The potential ecological risks of detected PPCPs by RQ approach in the TFCWs.

生态风险评估结果表明,检出的PPCPs经过TFCW处理后,其生态风险均得到降低。进水的RQ值介于1.298和3.937之间,有1种抗生素,2种类固醇激素和1种杀生剂具有高风险。结果TFCWs处理后,高风险及中风险化合物均降至中低风险。

小结

本研究探讨了潮汐流人工湿地系统经增加隔板和种植植物优化后对PPCPs(抗生素,类固醇激素和杀生剂)去除效果的影响机制。结果发现,同时增加隔板和种植植物后的TFCW对抗生素、类固醇激素和杀生剂的去除效率最高。优化后的湿地系统对PPCPs的主要去除途径是微生物降解,基质吸附和植物吸收占比较小。增加隔板和种植植物对湿地基质中的微生物多样性和优势微生物种群结构均有明细改变,这可能是其对PPCPs去除效率存在差异的主要原因。Thaumarchaeota可能是门水平上去除PPCPs的关键微生物。

参考文献:

Cheng Y-X, Chen J, Wu D, Liu Y-S* et al. Highly enhanced biodegradation of pharmaceutical and personal care products in a novel tidal flow constructed wetland with baffle and plants[J]. Water Research, 2021(20):116870.