松嫩平原西部是全球三大苏打盐碱地集中分布区之一，其土壤具有高盐分、高碱度和高氟等特征。在盐碱水田耕作过程中，大量未经充分利用的氮、磷营养盐，以及盐碱离子、氟离子等通过农田排水网络向下游迁移，加剧了农业面源污染风险，对受纳湿地和湖泊的水环境质量和生态安全造成威胁。人工湿地具有污染物去除效率高、建设成本低、运行管理简单等优势，已被广泛应用于污染水体处理，特别是在农田排水净化方面发挥了重要作用。但目前关于盐碱与氟离子双重胁迫下人工湿地的净化效果以及温室气体排放特征的研究鲜有报道，其内部的微生物组装过程和机制也不明确。 为解决上述问题，中国科学院东北地理与农业生态研究所水环境污染与防治研究团队通过人工湿地生态模拟实验，开展了盐碱与氟离子双重胁迫下人工湿地中碳、氮和磷迁移转化及微生物学机制研究。研究表明，与非盐碱的对照处理组比较，不同程度盐碱与氟离子胁迫均降低了人工湿地对COD、TN和TP的去除效率，但中、低盐碱处理组仍具有较强的水质净化能力。人工湿地对氟离子的去除率随着盐碱程度的增加逐渐降低，最终的去除率在22.1% ~ 66.5%。高盐碱人工湿地处理组具有更强的温室效应，其全球增温潜势(GWP)分别是对照组、低盐碱和中盐碱处理组的2.2倍、4.2倍和3.9倍。微生物组装分析表明，随机过程中的漂移和扩散限制主导了人工湿地的微生物群落组装过程，盐碱水平的升高可能会增强微生物栖息地的分化，增加扩散限制在群落构建中的贡献，同时提高共生网络的模块化和复杂性。这可能是微生物群落抵抗环境压力和维持网络稳定性的一种策略。
该研究在系统揭示吉林西部地区农田及其排水沟渠系统中主要面源污染物、盐碱离子和氟离子浓度的空间分布特征的基础上，综合考虑人工湿地在不同进水水质条件下的污染物净化效率和GWP，提出了吉林西部人工湿地适宜建设区布局的建议。上述研究填补了人工湿地在处理含盐碱和含氟污水过程中碳氮转化及微生物响应机制方面的研究空白，为人工湿地在吉林西部盐渍化地区的实际应用提供了重要的科学依据。
图1 盐碱与氟离子双重胁迫下人工湿地温室气体排放特征及微生物学机制
相关成果发表在《Chemical Engineering Journal》上，由科研助理苗雅琴(第一作者)、延边大学朱卫红教授(通讯作者)、祝惠研究员(通讯作者)等人共同完成。该研究得到吉林省自然科学基金优秀青年基金、国家自然科学基金、中国科学院创新交叉团队、中国科学院青年创新促进会等资助。
论文信息及链接如下：
Miao,Y.Q.,Shen,Y.T.,Hou,S.N.,Cui,H.,Zhu,W.H.,Zhu,H.,2024. Greenhouse gases emissions and microbial assembly mechanism in constructed wetlands for treating saline-alkali and fluoride-laden drainage water. Chemical Engineering Journal 498.155172. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155172
