濕地蘆葦根系微生物群落組成與環(huán)境應(yīng)用

一、引言濕地作為“地球之腎”，在自然生態(tài)環(huán)境中具有污染凈化作用。受自然濕地的啟發(fā)，在水處理工程中，可通過人工構(gòu)建濕地系統(tǒng)有效降解、轉(zhuǎn)化以及去除廢水中的污染物。人工濕地（constructedwetland,CW）與傳統(tǒng)污水處理廠相比具有優(yōu)越的性能，在過去的20年里得到了迅速的發(fā)展，因此越來越受到研究者的關(guān)注（圖1）。CW性能穩(wěn)定，外部能源需求低，并且易于操作和維護(hù)，這使其適用于沒有公共污水處理系統(tǒng)或經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的分散式廢水處理。圖1.2000—2020年發(fā)表的關(guān)于（蘆葦）人工濕地的文章總數(shù)。數(shù)據(jù)來源于“WebofScienceCoreCollection”，灰色代表使用人工濕地作為關(guān)鍵詞的文章總數(shù)，黑色代表使用蘆葦及人工濕地作為關(guān)鍵詞的文章數(shù)量。CW中污染物的去除是一個(gè)復(fù)雜的過程，主要涉及土壤顆粒、微生物和植物的綜合作用。CW中的這三部分在污染修復(fù)中發(fā)揮著不同的作用：土壤顆粒過濾和吸附污染物，從而為植物和微生物的降解和轉(zhuǎn)化提供更大的機(jī)會(huì)。植物根系環(huán)境富集的微生物由于根際效應(yīng)在濕地污染物的去除中起著重要作用。根系微生物反過來也能夠給植物吸收和同化提供轉(zhuǎn)化物質(zhì)，比如硝酸根。因此，植物與微生物之間的相互作用對于CW的性能至關(guān)重要，并且近年來受到越來越多的關(guān)注。以往對植物與微生物之間相互作用的研究，主要圍繞著如何調(diào)控根系微生物組以提高作物產(chǎn)量、抗病蟲害和抗干旱能力等方面，而很少關(guān)注濕地植物與其根系微生物的相互作用及功能。為了提升CW的水凈化能力，需要我們對濕地植物與微生物的相互作用關(guān)系以及它們對污染修復(fù)的貢獻(xiàn)有更深的理解。蘆葦作為一種多年生的挺水植物，具有非常強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，因而廣泛分布于自然濕地中，在水生生態(tài)系統(tǒng)中形成密集的優(yōu)勢群落，是濕地中最常見的植物之一。不僅如此，蘆葦是CW中最常采用的植物之一，近20年來，蘆葦在濕地植物中所占比例高達(dá)15.5%（圖1），在實(shí)際工程污水處理廠中比例更高。鑒于它們在天然濕地中的廣泛分布和在CW中的大規(guī)模應(yīng)用，蘆葦及其根系微生物群落在污染物修復(fù)和改善濕地功能方面表現(xiàn)出獨(dú)特的潛力。為了確定如何使用集體影響方法在CW中增強(qiáng)基于微生物的控制策略，應(yīng)努力了解蘆葦根系與微生物之間的共生關(guān)系。因而，在本文中，我們總結(jié)了以往關(guān)于蘆葦根系微生物群落的相關(guān)研究，包括以下幾個(gè)方面：①蘆葦根系微生物群落對污染修復(fù)的貢獻(xiàn)；②根系微生物中細(xì)菌、古菌和真菌的群落在污染物去除過程中的作用；③蘆葦在CW中的廣泛應(yīng)用，其中潛在的生物強(qiáng)化方法可用于增強(qiáng)污染物去除效果。在此基礎(chǔ)上，我們還總結(jié)了當(dāng)前研究的優(yōu)勢和不足，并提出了該領(lǐng)域的未來發(fā)展方向。二、蘆葦根系微生物群落在金屬、有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)去除中的作用由于CW受到不同類型污染物的影響，蘆葦根系微生物群落必須在不同的場景中應(yīng)對不同的污染物類型，即金屬離子、有機(jī)物（organicmatter,OM）或營養(yǎng)元素等。（一）金屬離子金屬離子的去除主要依賴于植物根系環(huán)境。對于鋅（Zn）、鐵（Fe）、錳（Mn）等與植物生長和光合作用有關(guān)的金屬離子，植物的同化作用是首要考慮的因素，尤其是當(dāng)金屬離子濃度較低時(shí)。離子可以被植物吸收，然后轉(zhuǎn)移到枝條和葉子上。而在厭氧和缺氧環(huán)境中，由于外界的氧化還原電勢的變化，這些金屬離子會(huì)形成沉淀。與根系微生物相關(guān)的植物根系分泌物可通過分泌次生化合物介導(dǎo)溶解來影響金屬離子的生物利用度和抗聚集性。例如，已知鐵載體在各種元素的螯合和溶解中發(fā)揮作用。其他對人體健康和環(huán)境有害的金屬離子，如砷（As）和鉻（Cr）離子，在較高濃度的時(shí)候，能被植物根系微生物固定和轉(zhuǎn)化。這也被認(rèn)為是重金屬廢水處理中穩(wěn)定金屬離子的主要方法。蘆葦在高濃度金屬離子脅迫下可以形成根表鐵膜（Feplaque）以增強(qiáng)濕地對這些重金屬離子的吸附作用。根表鐵膜的產(chǎn)生主要是由于植物根系強(qiáng)大的泌氧能力，以及植物根系環(huán)境富集的鐵氧化菌。鐵膜是無定形氧化物或氫氧化物，它們?yōu)槲⑸锞奂徒饘匐x子吸收提供了足夠的場所。因此，蘆葦根系中的鐵膜可以螯合高濃度的金屬離子。某些有害離子如As(III)可以吸附在鐵膜上，并被As氧化根棲細(xì)菌氧化成危害較小的As(V)。同樣的，在面對汞和硒污染的時(shí)候，也會(huì)發(fā)生相同的過程。本文稍后將提供更詳細(xì)的討論。綜上所述，上述過程可以將金屬離子從土壤中的聚集體遷移到植物和微生物中，從而降低土壤污染的風(fēng)險(xiǎn)并提高CW的性能。（二）有機(jī)物在污水處理過程中，有機(jī)污染物通常采用化學(xué)需氧量（COD）或者生化需氧量（BOD）衡量污染程度或判斷處理設(shè)施的處理效率。研究發(fā)現(xiàn)，在處理人工廢水的CW中，種植蘆葦能夠提高廢水中COD和有機(jī)氮的去除率。蘆葦本身能夠吸收一定量的可溶性O(shè)M（辛醇/水分配系數(shù)lgKow=0.5~3.5），如三聚乙烯（trichloroethene,TCE），但對一些微量OM污染物，如全氟辛酸（perfluorooctanoicacid,PFOA）、全氟辛烷磺酸（perfluorooctanesulfonicacid,PFOS）和布洛芬的吸收作用相對較弱。然而，蘆葦根系微生物能夠有效去除這些微量OM。部分微量OM能夠作為微生物的碳源和氮源，如從蘆葦根系分離出來的Sphingobiumfuliginis能夠利用叔丁基苯酚作為唯一的碳源進(jìn)行生長代謝。蘆葦根系微生物群落目前還是一個(gè)“黑箱”模型，蘊(yùn)含著復(fù)雜的微生物-微生物、微生物-植物的相互關(guān)系，如植物根系分泌物能增進(jìn)和刺激根系微生物的生長和代謝，從而有效降解OM污染物。然而，未來的研究需要探索針對更復(fù)雜和有害的有機(jī)物的污染修復(fù)潛力，這可以拓寬蘆葦CW的應(yīng)用。（三）營養(yǎng)元素氮（N）和磷（P）都是蘆葦物種及其根際微生物的基本生長元素。當(dāng)植物被收獲并從系統(tǒng)中移除時(shí)，蘆葦對N和P的去除是有效的；否則，隨著植物的分解，N和P會(huì)被重新引入系統(tǒng)。相比較之下，根系微生物能夠原位吸收和轉(zhuǎn)化這些營養(yǎng)元素，有利于CW的長期和可持續(xù)運(yùn)行。研究發(fā)現(xiàn)，種植蘆葦與沒有種植蘆葦?shù)耐寥老啾?，具有更高的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化、硝化和反硝化能力，其中植物根系微生物貢獻(xiàn)幾乎一半的脫氮量。蘆葦根系環(huán)境具有有利于微生物氮轉(zhuǎn)化的天然優(yōu)勢：①氧化還原條件的重復(fù)循環(huán)，以應(yīng)對不同環(huán)境，轉(zhuǎn)化各種形態(tài)的氮；②蘆葦根系分泌的小分子酸等有機(jī)物能夠給反硝化以及異化還原成銨（DNRA）的過程提供碳源；③最為重要的是，蘆葦根系中具有大量的含氮轉(zhuǎn)化功能基因的微生物，通常由細(xì)菌和古菌組成。種植蘆葦?shù)某恋砦镏屑?xì)菌16S核糖體RNA（rRNA）、古細(xì)菌16SrRNA、氨氧化細(xì)菌氨單加氧酶（由基因amoA編碼）、氨氧化古細(xì)菌amoA、反硝化細(xì)菌亞硝酸還原酶（nirK）基因，甚至厭氧氨氧化（anammox）過程的豐度均顯著增加，這些能有效提升有機(jī)氮的礦化過程、硝化和反硝化過程，促使系統(tǒng)脫氮效果的提升。因此，蘆葦根系為根系微生物完成脫氮提供了適宜的平臺。磷作為植物和微生物的基本生長元素，其同化是CW廢水處理過程中發(fā)生的主要過程。但是相較于氮，磷的形態(tài)分布有所不同，如磷酸根（PO）能夠與金屬離子結(jié)合產(chǎn)生沉淀。鑒于蘆葦根部表面的鐵膜聚集了金屬離子以及不同形式的磷，蘆葦根部環(huán)境為植物本身及其根系微生物形成了一個(gè)“磷庫”。此外，一些根系微生物可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化或吸收植物或自身的磷，從而實(shí)現(xiàn)凈化。綜上，蘆葦根系微生物群落是濕地進(jìn)行污染修復(fù)的重要組成部分。因此，了解蘆葦根系微生物群落是成功去除和固定污染物的關(guān)鍵，包括：①根系微生物的基本組成和存在；②微生物群落功能在不同環(huán)境條件下的表達(dá)；③進(jìn)一步應(yīng)用的潛在微生物功能。三、蘆葦根系微生物群落組成及其性能在過去的幾十年里，對植物微生物群落（包括真菌、細(xì)菌、古菌、原生生物和病毒）的數(shù)量和分布的調(diào)查，對植物微生物研究產(chǎn)生了變革性的影響。第二代測序（next-generationsequencing,NGS）的發(fā)展使得研究者能夠研究不同環(huán)境下微生物群落的組成譜。在不同的NGS方法中，擴(kuò)增子測序技術(shù)被廣泛使用在解析細(xì)菌、古菌[如16S核糖體DNA（rDNA）]和真菌[如內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（ITS）、18SrDNA]群落組成上。宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄技術(shù)能夠進(jìn)一步解釋除群落結(jié)構(gòu)之外的功能組成和基因表達(dá)活性，再結(jié)合分離培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行特定功能的驗(yàn)證，使得研究者能夠從不同的角度探索蘆葦根系微生物的結(jié)構(gòu)和功能。雖然原生動(dòng)物和病毒對于根系微生物生態(tài)的影響不可忽視，但由于特殊的生態(tài)位，它們并不能直接作用于污染物轉(zhuǎn)化，因而本文重點(diǎn)關(guān)注細(xì)菌、古菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)和功能特性。（一）細(xì)菌群落組成先前使用基于16SrRNA基因的高通量測序?qū)?xì)菌群落組成（bacterialcommunitycomposition,BCC）進(jìn)行了廣泛研究。根據(jù)植物根系影響的范圍將根系微生物群落分為三個(gè)研究區(qū)域：非根際土壤區(qū)域、根際土壤區(qū)域以及根內(nèi)區(qū)域的內(nèi)生菌。不同區(qū)域有不同的樣品處理方法：挖出植物后，在根表疏松結(jié)合并能抖落的是非根際土壤；抖動(dòng)和淋洗過后獲得的緊貼植物根表的土壤是根際土壤；進(jìn)一步通過超聲清洗洗脫的是根內(nèi)內(nèi)生菌。He等檢查了普通蘆葦（Phragmitesaustralis,

P.australis）的BCC，并觀察到與普通土壤和根際相比，蘆葦根際區(qū)域的細(xì)菌群落具有更高的α多樣性指數(shù)（表明豐富度）和較低的β多樣性指數(shù)（表明樣品間的穩(wěn)定性），這表明根際微生物具有更高的物種豐富度和較低的樣本間差異，意味著植物和環(huán)境因子對根際微生物的組成具有組合影響。這一點(diǎn)和使用中性理論探究蘆葦根際微生物組成的研究結(jié)果相一致，其結(jié)果顯示確定性過程在根際微生物組成上占主導(dǎo)地位，同樣意味著植物對根際微生物的組成具有重要影響。此外，蘆葦根際微生物能夠決定根內(nèi)內(nèi)生菌的種類和結(jié)構(gòu)。綜上，由于根際細(xì)菌群落具有的特殊性質(zhì)，已引起學(xué)者的廣泛關(guān)注（表1）。表116SrDNA擴(kuò)增子測序技術(shù)解析蘆葦根系細(xì)菌群落組成1.組成變化從分類學(xué)來看，在門水平上，蘆葦根系微生物主要是變形菌門、厚壁菌門、放線菌門和擬桿菌門。然而，蘆葦?shù)腂CC結(jié)構(gòu)在不同的研究中可能有所不同，因?yàn)樘J葦可以很好地適應(yīng)各種各樣的土壤（或沉積物）環(huán)境，這些環(huán)境在鹽度（0~25ppm）、pH、營養(yǎng)物質(zhì)和水力條件等方面表現(xiàn)出相當(dāng)大的差異。如表1所示，以往研究樣品采集位置主要位于海岸帶和河岸帶區(qū)域，兩者之間的主要區(qū)別是鹽分含量，這造成了蘆葦根系微生物群落結(jié)構(gòu)的差異。此外，CW的水質(zhì)對蘆葦BCC的結(jié)構(gòu)和功能特性也有重要影響。除了環(huán)境因素外，蘆葦?shù)钠贩N（基因型）也會(huì)對根系微生物產(chǎn)生影響。Bowen等探索了P.australis根系微生物群落的不同譜系和組成，并表明譜系內(nèi)細(xì)菌群落相似，但譜系間細(xì)菌群落不同。然而，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的生物量和組成結(jié)構(gòu)在入侵和本地P.australis譜系之間并無明顯差異。二者之間矛盾的結(jié)果主要是由于研究所在的外界環(huán)境上的差異，在“花園實(shí)驗(yàn)”中種植不同品種的蘆葦和開展的野外采樣的環(huán)境影響差異較大。盡管P.australis譜系會(huì)導(dǎo)致成分差異，但外部環(huán)境可能掩蓋了譜系帶來的影響。此外，基因型驅(qū)動(dòng)的影響也可能被環(huán)境因素所取代。例如，蘆葦?shù)牧硪环N基因型Phragmiteskarka

(P.karka)在根際群落中顯示出變形菌門、厚壁菌門、放線菌門和擬桿菌門的過度表達(dá)，這與現(xiàn)有的關(guān)于P.australis的研究一致。事實(shí)上，不同品種/物種的植物根系產(chǎn)生的分泌物勢必導(dǎo)致根系環(huán)境中有機(jī)碳、氮的變化，從而刺激或者抑制某些細(xì)菌的產(chǎn)生，也就是“根際效應(yīng)”，但是植物根系微生物還會(huì)根據(jù)外界環(huán)境因素的影響產(chǎn)生相應(yīng)的變化，比如在相同的棲息環(huán)境中，蘆葦（P.australis）和香蒲（Typhalatifolia）具有相同的根系微生物分類學(xué)組成。通常情況下，環(huán)境因素會(huì)對蘆葦BCC施加更強(qiáng)的影響，甚至可能掩蓋植物本身帶來的根際效應(yīng)。不過受限于目前使用的技術(shù)手段，我們對根系微生物的組成的理解可能是片面甚至是有偏差的。即使是使用相同的擴(kuò)增子測序方法，引物及擴(kuò)增區(qū)域的不同（表1）使得不同研究之間的相互驗(yàn)證和比較難以開展。因此，制定統(tǒng)一的樣品采集、分析及質(zhì)量控制方法是未來研究所要考慮的。此外，可以進(jìn)一步考慮鳥槍法宏基因組/宏轉(zhuǎn)錄組測序，以分析蘆葦根系棲息微生物群落的功能組成。2.在污染修復(fù)方面的潛在作用BCC分析的目的是徹底了解細(xì)菌群落所履行的特殊功能。Zhang等應(yīng)用PICRUSt(PhylogeneticInvestigationofCommunitiesbyReconstructionofUnobservedStates)基于16SrDNA測序結(jié)果來預(yù)測蘆葦根系微生物的功能特性，結(jié)果顯示異源代謝是其中一個(gè)主要功能，這表明蘆葦根系微生物能夠降解苯和氨基苯甲酸等具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。除此之外，根系微生物的其他功能還包括對氯烷烴、氯烯烴、己內(nèi)酰胺、萘和甲苯的降解。除了非培養(yǎng)的方法外，還可以使用培養(yǎng)的方法來確認(rèn)細(xì)菌群落的不同功能。利用P.australis根系土壤分別開展了壬基苯酚（technicalnonylphenol,tNP）、芘和苯并芘[a]的降解實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了以往研究中PICRUSt的預(yù)測結(jié)果。研究人員不僅可以結(jié)合同位素示蹤技術(shù)分析功能組成，還可以量化蘆葦細(xì)菌群落對不同棲息地（即水沉積物或陸地土壤）中硝酸鹽還原過程的作用機(jī)制。因此，多種研究手段的相互驗(yàn)證，能夠更加深入地理解蘆葦根系微生物的功能特征。（二）蘆葦根系真菌與古菌盡管濕地植物根系環(huán)境中真菌和古菌在污染修復(fù)過程中也具有重要意義，但相較于細(xì)菌來說，對它們的研究較為匱乏。并且大多數(shù)的研究主要關(guān)注的是蘆葦根內(nèi)或者根表緊密吸附的古菌、真菌，因此以下的討論中將重點(diǎn)論述這個(gè)區(qū)域中的古菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)和功能組成。1.古菌群落古菌群落組成的研究方法和細(xì)菌一樣，都是采用16SrDNA擴(kuò)增子測序技術(shù)。然而，由于只有少數(shù)古菌物種已使用培養(yǎng)基成功培養(yǎng)，因此更常使用非培養(yǎng)的方法（如NGS）來研究古菌多樣性。已有研究發(fā)現(xiàn)蘆葦根系古菌群落的主要組成為泉古菌門（Crenarchaeota）和廣古菌門（Euryarchaeota）：泉古菌門中活躍的主要是氨氧化古菌，而廣古菌門中較為常見的功能是產(chǎn)甲烷菌。這表明蘆葦根系古菌的主要作用是參與氮循環(huán)和產(chǎn)甲烷過程。古菌群落組成受多種因素影響。與蘆葦基因型的寄主植物驅(qū)動(dòng)效應(yīng)相比，蘆葦根系古菌的組成對環(huán)境因素更敏感，因?yàn)樵谒靖抵幸泊嬖谔J葦根系中相同的主要古菌組成。然而，與細(xì)菌群落不同，內(nèi)生古菌群落更容易受到土壤鹽分的影響。蘆葦根系細(xì)菌和內(nèi)生古菌沿鹽度梯度的不同分布模式意味著這兩組在植物-微生物相互作用中發(fā)揮著不同的作用。此外，古菌可能具有促進(jìn)蘆葦生長和抵抗鹽度的能力，因?yàn)楣啪郝浣M成與水體鹽度密切相關(guān)。令人遺憾的是，由于缺少可用的數(shù)據(jù)庫和有效的培養(yǎng)方法，目前對于蘆葦根系古菌結(jié)構(gòu)和功能組成的研究還是有限的。從生物信息學(xué)的角度來看，蘆葦根系環(huán)境中至少19.1%的序列是未分類的，意味著很多未被鑒定的古菌積極參與了蘆葦濕地生態(tài)系統(tǒng)。隨著測序技術(shù)和數(shù)據(jù)庫的發(fā)展，這些未知的古菌類型和功能特性會(huì)被逐步揭示。2.真菌群落綜合培養(yǎng)和分子鑒定方法通常用于探索真菌群落結(jié)構(gòu)?；趯DNA內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（ITS）區(qū)域的分子分析，據(jù)報(bào)道只有少數(shù)真菌物種主導(dǎo)與蘆葦相關(guān)的高度多樣化的群落結(jié)構(gòu)。已從P.australis的根中發(fā)現(xiàn)內(nèi)生真菌，表明肉座菌目（Hypocreales）和帚枝霉Sarocladiumstrictum在孤立的真菌群落中占主導(dǎo)地位。盡管采樣點(diǎn)不同的氣候和地球物理?xiàng)l件可能會(huì)影響真菌群落的組成，但這些優(yōu)勢物種有助于與蘆葦相關(guān)的某些功能，如抵抗鹽度的能力。高鹽條件下的蘆葦根系真菌群落與低鹽條件下的群落相比，其對鋅、汞和鹽分壓力都具有較強(qiáng)的抵抗能力。將這些真菌接種到水稻幼苗中后，能夠有效提升水稻幼苗的抗鹽能力。除了鹽度，譜系在真菌群落組成中也很重要。最近，GonzalezMateu等比較了入侵和本地P.australis的有隔深色內(nèi)生真菌（darkseptateendophyte,DSE）發(fā)現(xiàn)，二者具有完全不同的群落結(jié)構(gòu)，造成這種差異的原因可以用“棲息地適應(yīng)-共生”假說解釋，植物和微生物在共進(jìn)化過程中建立了二者緊密的相互作用關(guān)系，來共同抵抗外界的極端條件和非生物壓力，使植物和微生物都能更加適應(yīng)棲息地環(huán)境。植物和微生物的共同進(jìn)化，以及植物與多種內(nèi)生微生物建立共生關(guān)系的能力，似乎增強(qiáng)了植物對非生物脅迫的耐受性。這些結(jié)果可能揭示了一個(gè)有助于植物入侵的因素，它可造成經(jīng)濟(jì)和生態(tài)破壞。蘆葦根系微生物群落的每個(gè)成員都與寄主植物以及環(huán)境密切相關(guān)，這些因素對不同的成員產(chǎn)生不同的影響。在CW運(yùn)行過程中，溫度、pH、溶解氧和氧化還原電位（oxygenandredoxpotential,ORP）的變化會(huì)影響生物量、微生物組成和微生物相互作用的強(qiáng)度，這可以通過網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性來表示。隨后會(huì)影響各種關(guān)鍵的污染物去除過程，如沉降、沉淀和揮發(fā)。微生物群落的所有成員都表現(xiàn)出很高的污染修復(fù)潛力，這使得蘆葦成為CW中應(yīng)用最廣泛的植物。然而，作為一個(gè)緊湊的污染修復(fù)平臺，CW在整合最先進(jìn)的技術(shù)以促進(jìn)性能提升方面表現(xiàn)出強(qiáng)大的實(shí)力。從目前的研究來看，蘆葦根系微生物的群落和功能已經(jīng)被很好地解析，那么如何進(jìn)一步根據(jù)不同成員的功能特點(diǎn)來增強(qiáng)人工濕地的處理效果將會(huì)是今后的研究重點(diǎn)。四、生物強(qiáng)化方法在人工濕地的應(yīng)用蘆葦根系微生物群落的每個(gè)成員都在污染修復(fù)中發(fā)揮作用。然而，不同成員之間的相互作用能夠提升特定的污染物轉(zhuǎn)化功能，比如改變N轉(zhuǎn)化途徑和加速持久性O(shè)M的降解過程。因此，基于對根系微生物群落中每個(gè)成員的確切功能以及它們之間復(fù)雜相互作用的理解，我們可以根據(jù)特定目的設(shè)計(jì)合成微生物的群落結(jié)構(gòu)，稱其為合成微生物群落（SynComs）。此外，除了活微生物外，微生物產(chǎn)生的細(xì)胞外聚合物以及根表鐵膜也有助于污染修復(fù)。比如根表鐵膜在以往研究中被證實(shí)參與到有害金屬離子（如As離子）的穩(wěn)定、磷酸鹽固定、N循環(huán)以及微量有機(jī)物去除過程中。鐵斑的成分不僅包括鐵氧化物，還包括由微生物過程產(chǎn)生的錳氧化物。因此，我們建議通過刺激功能性微生物來加強(qiáng)Mn氧化物的產(chǎn)生，這最終可以提高CW的性能。根據(jù)以上兩個(gè)方面，我們提出了兩種能夠增強(qiáng)CW去除污染物能力的生物強(qiáng)化方法：設(shè)計(jì)合成菌群和強(qiáng)化根系鐵錳氧化物的生成。（一）合成菌群根據(jù)美國國立衛(wèi)生研究院（NationalInstitutesofHealth,NIH）的定義，合成菌群是指“出于一定目的，通過重新設(shè)計(jì)微生物的群落結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行定向改造，使其具有新的功能”，合成菌群在植物-微生物相互作用中的研究中常被應(yīng)用，主要用來提升作物產(chǎn)量和抗病能力。對于一個(gè)新建的CW，蘆葦根系微生物能夠通過“自上而下”或“自下而上”的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造。在“自下而上”的方法中，通過從環(huán)境中分離出具有特殊功能的微生物，再經(jīng)過直接組裝或基因工程[例如，噬菌體整合酶、整合和接合元件（integrativeandconjugativeelement,ICE）或不依賴于模式微生物（如大腸桿菌和酵母等生物底盤）的重組酶輔助基因組工程（chassis-independentrecombinase-assistedgenomeengineering,CRAGE）以確保微生物具有所需的生理特征和功能（例如，降解特定污染物）]，選定的微生物被重新組合為合成菌群。在選擇合成菌群的成員時(shí)，應(yīng)該首先考慮每個(gè)成員的特性，并且在組合的過程中充分考慮到相互之間的功能互補(bǔ)和功能冗余，以增強(qiáng)接種的穩(wěn)健度，尤其是面對濕地這樣復(fù)雜的接種環(huán)境時(shí)。然后用SynComs給植物接種，它可以強(qiáng)有力地重新定植宿主。在“自上而下”的方法中，可移動(dòng)遺傳元件（mobilegeneticelement,MGE），如含特定降解基因的質(zhì)粒等，能夠被導(dǎo)入到特定菌群中，然后將菌群接種到人工濕地環(huán)境中，通過其本身具有的水平基因轉(zhuǎn)移特性在原位環(huán)境下將MGE轉(zhuǎn)移到其他根系微生物中。目前，合成菌落的應(yīng)用有助于闡明不同環(huán)境條件下根際微生物群落的作用（如植物-微生物相互作用）；然而，利用合成菌落來增強(qiáng)根際效應(yīng)（如生物修復(fù)）的研究在很大程度上仍未得到探索。此外，合成菌落中成員能否在原位生存和發(fā)揮其功能是不可預(yù)測的，因?yàn)楦鼍参?、本地微生物、根瘤菌接種物和合成菌落之間的植物-微生物和微生物-微生物相互作用是復(fù)雜的，可能會(huì)阻礙成功定植（圖2）。圖2.合成菌群和鐵錳氧化物基質(zhì)在人工濕地中的應(yīng)用構(gòu)想。OB：氧化細(xì)菌。（二）強(qiáng)化生物鐵錳氧化物的生成蘆葦根系環(huán)境中的鐵氧化物和鐵氫氧化物的沉積會(huì)在根系表面形成根表鐵膜，根表鐵膜會(huì)對重金屬離子進(jìn)入植物體形成屏障。鐵膜中往往存在錳氧化物，這主要是由于鐵氧化物能夠吸附土壤中游離的錳離子，同時(shí)根系環(huán)境為錳氧化菌和鐵氧化菌（MnOB和FeOB）提供了適宜的生存環(huán)境。鐵氧化物的形成主要是由于植物根系外泌的氧氣對二價(jià)鐵離子的化學(xué)氧化作用，而錳氧化物的形成主要依賴于微生物作用，這主要是由于化學(xué)錳氧化反應(yīng)速率遠(yuǎn)小于生物錳氧化速率。因此，細(xì)菌二價(jià)錳離子氧化被認(rèn)為是環(huán)境中三價(jià)錳離子和四價(jià)錳離子氧化物形成的主要原因。和鐵氫氧化物一樣，生物錳氧化物具有高比表面積，因此其對有機(jī)物和重金屬（如鉻、砷、鉛等）具有良好的吸附性能。除此之外，錳氧化物具有強(qiáng)氧化性（僅次于氧氣），使得吸附的污染物能夠進(jìn)一步被氧化降解，而產(chǎn)生的二價(jià)錳離子能夠再次被錳氧化微生物氧化產(chǎn)生新的錳氧化物?；钴S的錳循環(huán)過程對CW的污水處理效率具有重要意義。在CW基質(zhì)中增加錳氧化物能夠顯著提升其對硝酸鹽、磷酸鹽、多環(huán)芳烴（polycyclicaromatichydroca