隨著我國城鎮化和工業化進程的加快，農村水體環境受到極大破壞。大量生產生活廢水直排進入塘、渠、溪流等，嚴重威脅水體安全和人類健康。修復水網系統的生態結構和功能是提高水體流動性的有效方法之一。前期研發的塘渠水網系統在消納農業面源氮磷污染方面具有顯著效果。然而水網系統的微生物聚磷代謝機制尚不明確，根系分泌物如何調節根際微生物，進而影響水網系統養分去除的機制尚不清楚。
中國科學院武漢植物園濕地生態學學科組和中國科學院水生生物研究所凈化與恢復生態學學科組聯合研究了塘渠水網系統的微生物響應機制。水網系統中與聚磷代謝相關的多聚磷酸激酶（PPK）和酶解磷酸酶（PPX）活性均隨時間增加，在第30天達到峰值，與沉積物中總磷（STP）和有機質（OM）顯著負相關。芽孢桿菌屬和梭菌屬可能是好氧生物除磷的優勢基團；而厭氧生物除磷中，節肢桿菌屬占主導地位。路徑模型分析發現，W-temp、DO和OM通過調節優勢菌群的相對豐度和STP含量對PPK和PPX活性的產生影響。該研究闡明了水質參數、土壤條件和細菌類群之間的反饋對水網系統中聚磷代謝過程具有重要的調控作用。本研究以“Environmental factors and microbial communities jointly regulate biological dephosphorization process in pond-ditch circulation systems (PDCSs) for rural wastewater treatment”為題發表在期刊Science of the Total Environment上，武漢植物園馬琳副研究員為論文第一作者，水生生物研究所賀鋒研究員為通訊作者。
塘渠水網系統中植物根系分泌物蛋白質與微生物Simpson指數負相關，有機酸乳酸和酒石酸與大部分土壤參數緊密相關。乳酸、蛋白質和氨基酸與土桿菌屬相對豐度呈正相關；芽孢桿菌相對豐度受含水量影響顯著。根系分泌物，尤其是蛋白質、氨基酸和乳酸對水網系統養分去除的影響主要是通過改變根際微生物的相對豐度和多樣性來實現，且這種影響取決于細菌的種類。本研究以“Effects of root exudates on rhizosphere bacteria and nutrient removal in pond-ditch circulation systems (PDCSs) for rural wastewater treatment”為題發表在期刊Science of the Total Environment上，武漢植物園馬琳副研究員為論文第一作者，水生生物研究所賀鋒研究員為通訊作者。
研究人員進一步比較了根際和非根際微生物群落結構的差異。根際和非根際的微生物Chao1指數與所測沉積物性質均呈顯著正相關。根際微生物Shannon指數與濁度和總有機碳呈顯著正相關；非根際Shannon和Simpson指數與氧化還原電位呈顯著相關。冗余分析結果表明，乳酸、蛋白質和氨基酸對根際土桿菌屬和梭菌屬有較強的正向影響；非根際芽孢桿菌和梭菌屬受沉積物氨氮和硝態氮影響顯著。本研究以“Response of sediment microbial communities to the rural wastewater in the pond-ditch circulation system”為題發表在期刊Frontiers in Environmental Science上，水生生物研究所賀鋒研究員、武漢植物園馬琳副研究員為共同通訊作者。
圖1 PDCS系統中微生物聚磷代謝過程示意圖
圖2 PDCS系統中營養物質去除效果的路徑分析模型
圖3 PDCS系統根際微生物和非根際微生物的冗余度分析
