生物滯留系統(tǒng)研究的國內外文獻綜述1.1生物滯留池概述低影響開發(fā)（LowImpactDevelopment,LID）最早起源于20世紀90年代末期，是由美國東部馬里蘭州的普潤斯喬治縣和西北地區(qū)的波蘭特、西雅圖市共同提出的一種新型雨水管理技術。與傳統(tǒng)雨洪調控措施不同，LID旨從源頭上對地表徑流實施調控，通過入滲、過濾、蒸發(fā)等方式最大程度模擬自然水文條件，從而達到削減徑流流量、降低徑流污染負荷等目的（Coffmanetal.,2020）。生物滯留池（Bioretention），亦被稱為雨水花園（RainGarden）或是生物入滲池（Bio-infiltration），是低影響開發(fā)中常見的雨水控制設施。生物滯留池通過在低于路面的低洼區(qū)域合理布設工程土壤與科學種植功能植株，構建土壤基質-植物-微生物共同作用的復合型原位綠色基礎設施，實現對地表徑流水文水質的調節(jié)效應（見圖1.1）。a)生物滯留池結構示意圖b)生物滯留池實景圖圖1.1生物滯留池的結構示意圖和實景圖Fig1.1Structurediagramandrealviewofbioretention現代生物滯留池通常被認為起源于20世紀90年代的美國，憑借其對地表徑流顯著的削減效應和對徑流污染物的控制效果，在美國、歐洲等地區(qū)得到了進一步推廣（Liuetal.,2014）。國外的早期研究多集中在生物滯留池的結構改進、功能評估和運行維護等內容，證實其具備良好的水文調節(jié)效應，在削減徑流總量、延遲峰現時間等方面表現卓越，但同時存在水質凈化效果方面的不穩(wěn)定性（Roy-Poirieretal.,2010;Hattetal.,2009）。我國于21世紀初開展對生物滯留池的系統(tǒng)研究，2010年后通過模型應用、模擬試驗和實地監(jiān)測等研究逐步填補國內在該領域的研究空白（李芬芬，2021年）。隨著2015年我國海綿城市試點工程項目的啟動，生物滯留池在國內得到了更大規(guī)模的推廣。常見的生物滯留池結構如圖1（a）所示。其中，植被層應采用多年生本地草本植株，對水澇和干旱具備較好的耐受性，常見生物滯留池植被種類有美人蕉、蘆葦和狼尾草等（袁瑜蔓，2018），較高的種植密度能有效延長生物處理設施的生命周期（Archer，2002）。種植土壤層為植物根系提供生長空間和養(yǎng)料補給，其中分布的根系為微生物提供附著場所，也可有效防止土壤孔隙塞堵。應多選用與植株適應性良好的本地土壤，在維護階段需要注意防范雨水淤堵現象；填料層參考多采用天然沙壤土，實現對地表徑流中污染物質的物理化學吸附作用，同時也是微生物生長和活躍的主要場所?？梢栽谔盍蠈又刑砑域问?、石灰石、粉煤灰等土壤介質提高系統(tǒng)對污染物質的吸附能力；礫石層多由粒徑不超過50mm的礫石或碎石塊組成，在系統(tǒng)中起到承重與蓄水的作用（徐萍，2015）。生物滯留池兼具水文控制和水質凈化的功效，在有效削減地表徑流總量和峰值流量的同時，也表現出對地表徑流污染物質優(yōu)良的處理效果（Bleckenetal.,2009）。Huntetal.(2016)在美國北卡羅來納州的三個生物滯留池中進行了水文性能和污染物去除效果的研究，發(fā)現徑流總量削減了78%，TP和重金屬分別減少了65%和85%；Brownetal.(2011)在洛磯山脈和納什維爾市分別監(jiān)測了兩組生物滯留池，其徑流削減率達到50%~90%，TSS的去除率高達92%。據統(tǒng)計，生物滯留池對總懸浮顆粒物的去除范圍在55%~100%，對TP的去除范圍在31%~100%，對Cu、Pb、Zn等金屬的去除范圍分別是65%~99%、32%~100%、60%~99%，但其對氮素污染污染物的去除率存在較大波動，特別是對NO3--N的去除效果不甚顯著（劉文，2015年）。1.2生物滯留池氮去除效率生物滯留池中氮去除的途徑主要有三條：土壤介質的物理化學吸附作用；植物的吸收與同化作用；微生物的脫氮作用。與其他徑流污染物的削減能力相比，生物滯留池對地表徑流中氮素污染的去除效果不穩(wěn)定（Morseetal.,2017）。Huntetal.(2008)在美國北卡羅來納州的夏洛特市對城市環(huán)境中的生物保留池進行了水質監(jiān)測調查，結果顯示NH4+-N濃度降低了70.6%，但是NO3--N濃度反而提高4.8%；Readetal.(2008)在澳大利亞針對20個生物滯留系統(tǒng)研究其徑流污染物的去除效果，發(fā)現其處理后的雨水徑流中的TN和總凱氏氮（TotalKjeldahlNitrogen,TNK）濃度竟高過輸入雨水；Lietal.(2016)搭建生物滯留池實驗柱，通過模擬實驗發(fā)現其對NH4+-N的去除率可以達到70%，但是TN的去除效果僅為10%~15%；Lietal.(2014)通過16次人工降雨事件模擬生物滯留池對地表徑流氮素污染物的去除過程，發(fā)現NH4+-N和TN的去除率分別是89%和41%，但是DON和NO3--N卻在出流中大量浸出?？傮w而言，生物滯留池在模擬實驗和現場監(jiān)測中對地表徑流中的NH4+-N表現出較好且相對穩(wěn)定的去除效果，這可能是因為生物滯留池的土壤介質多為帶負電的沙壤土，容易吸附地表徑流中呈陽性的NH4+，同時土質滲透性能良好，土壤環(huán)境常處于好氧狀態(tài)，有利于氨氧化微生物的硝化作用；但是對NO3--N的去除效果較差，甚至會出現淋溶現象，這可能是因為土壤會對同樣帶負電的NO3-發(fā)生排斥不容易吸附，同時難以形成缺氧環(huán)境，不利于反硝化菌群的微生物活動。NO3--N的去除效果不穩(wěn)定也間接影響了生物滯留池對TN的去除效果，導致其對TN的去除率同樣存在大幅波動（周龍，2020）。傳統(tǒng)生物滯留池氮去除能力波動也被認為與其填料組成和系統(tǒng)結構有關。生物滯留池內部碳源含量較低，常存在反硝化碳源不足的情況：萬哲希等（2019年）在長期穩(wěn)定運行的生物滯留池填料中加入5%木屑，發(fā)現其TN和NO3--N的去除率均高于其他不摻混木屑的系統(tǒng)；趙倩等（2019年）在傳統(tǒng)填料中摻混一定比例的生物炭，實驗結果表明，生物滯留池TN和NO3--N的去除效果均提升10%以上。同時，結構中含有淹沒層的生物滯留池往往表現出對TN和NO3--N更高的去除率：Dietzetal.(2006)通過在生物滯留池內是否設置淹沒層實施對照試驗，發(fā)現設置有淹沒層的系統(tǒng)其TN去除率提高了18%；仇付國等（2017）在生物滯留池內分別設置200mm與600mm高度的淹沒層，結果表明600mm的淹沒層對NO3--N的去除效果更好。這是因為淹沒層在生物滯留池內部形成了缺氧或厭氧環(huán)境，有效促進了反硝化作用的發(fā)生。綜上所述，生物滯留池內氮去除效果存在波動的原因與系統(tǒng)內微生物的硝化作用與反硝化作用密切相關。通過添加碳源填料和設置系統(tǒng)淹沒層只是從工程實踐的層面提高氮去除效果，深入研究系統(tǒng)內微生物脫氮作用的效率及其影響因素，完善生物滯留池氮去除機制，從理論層面指導生物滯留池的設計改進與運行維護，才能在根本上規(guī)避系統(tǒng)氮去除效果不穩(wěn)定的問題。1.3生物滯留池微生物脫氮作用在地球生物化學氮循環(huán)過程中，微生物氮轉化作用涉及固氮、礦化、同化、硝化、反硝化、厭氧氨氧化（AnaerobicAmmoniumOxidation,Anammox）和硝酸鹽異化還原為銨（DissimilatoryNitrateReductiontoAmmonium,DNRA）等作用（曾巾，2007）（見圖1.2）。圖1.2地球生物化學氮循環(huán)中的微生物作用Fig1.2MicrobialreactioninGeochemicalnitrogencycle微生物脫氮作用是生物滯留池中控制徑流氮素污染物的重要機制，也被認為是唯一的永久脫氮途徑。之前的研究認為，生物滯留池內的脫氮作用涉及固氮、礦化、硝化、反硝化等過程，可能存在厭氧氨氧化和異化還原為銨等作用。（見圖1.3）其中硝化作用和反硝化作用被視作為該系統(tǒng)內部核心的脫氮反應。其中，硝化作用是指NH4+-N轉化為NO3--N的過程，主要由兩個步驟組成：1)NH4+-N氧化為NO2--N的氨氧化過程，主要由amoA功能基因編碼的AMO酶催化進行（賀紀正，2013），執(zhí)行此過程的微生物被稱為氨氧化微生物（AmmoniaOxidizingMicroorganisms,AOM）;2)NO2--N進一步氧化為NO3--N的亞硝酸鹽氧化過程，主要由nxrA功能基因編碼的NXR酶催化進行，執(zhí)行此過程的微生物是亞硝酸鹽氧化細菌（Nitriteoxidizingbacteria,NOB）。反硝化作用是指NO3--N經過逐步還原反應最終轉化為N2的永久脫氮作用，其反應過程比較復雜，大致可分為四個步驟：1）NO3--N還原為NO2--N的硝酸鹽還原過程，常見的硝酸鹽還原酶有兩種，一種是在厭氧環(huán)境下優(yōu)先表達的膜質硝酸鹽還原酶NAR，由narG功能基因編碼；另一種是在有氧條件下優(yōu)先表達的周質硝酸鹽還原酶NAP，由napA功能基因編碼（Fengetal.2017）；2）NO2--N還原為NO的亞硝酸鹽還原過程，常見的亞硝酸鹽還原酶有兩種，一種為nirK基因編碼的cdl型亞硝酸鹽還原酶，另一種是nirS基因編碼的Cu型亞硝酸鹽還原酶，兩者的結構不同但功能類似（孫未，2017）；3）NO還原為N2O的過程，主要由norB功能基因編碼執(zhí)行；4）N2O最終還原為N2的過程，目前常見的氧化亞氮還原酶編碼基因僅有nosZ一種，是研究系統(tǒng)完整反硝化過程的常見標記基因（鄭燕，2012）。圖1.3生物滯留池中氮轉化過程（李笑玥，2021）Fig1.3Nitrogenconversionprocessinbioretention(Lietal.,2021)1.3生物滯留池中微生物的研究現狀生物滯留池微生物脫氮作用的研究起步較晚，最近十年才開始有學者對生物滯留池內氮轉化微生物的種類、數量、群落結構及其動態(tài)變化開展調查與試驗（Payneetal.2014）。定量描述硝化和反硝化微生物的豐度可以有效反映微生物脫氮作用在生物滯留池系統(tǒng)內的作用強度（Waller。2018）?，F階段用于生物滯留池內微生物脫氮作用研究的技術手段主要有：1）16SrRNA基因高通量測序，常用于分子生物學中細菌種屬鑒定與系統(tǒng)發(fā)育分析研究，可以調查生物滯留池內微生物群落的物種構成和豐度信息（Chakravortyetal.,2007）；2）實時熒光定量聚合酶鏈反應（Real-timeQuantitativePolymeraseChainReaction,qPCR），可以對標記基因進行絕對定量檢測，識別生物滯留池內微生物脫氮作用中關鍵路徑編碼基因的豐度（Waller，2018）。兩種技術手段常綜合使用，用以探明生物滯留池內氮轉化功能微生物的群落特征。Chenetal.(2013)使用16SrRNA基因高通量測序與實時熒光定量PCR技術，研究了滲透率低和排水時間較長的生物滯留系統(tǒng)中氮轉化微生物的脫氮作用，發(fā)現16SrRNA、硝化基因（amoA）和反硝化基因（nirS，nirK，norB和nosZ）隨系統(tǒng)土壤深度的增加而減少，反硝化基因豐度與平均淹沒時間呈正相關，土壤介質和有機碳含量都會影響系統(tǒng)中的反硝化程度；Wanetal.(2017)評估了分層生物滯留系統(tǒng)表面木屑對系統(tǒng)反硝化過程的促進作用，結果表明摻混木屑明顯增加了反硝化基因（narG，nirK和nirS）的豐度；Willardetal.(2017)針對長期穩(wěn)定運行的生物滯留系統(tǒng)實施分層采樣與分析生物學檢測，發(fā)現系統(tǒng)上層缺氧區(qū)域中的反硝化菌群數量更多，而底層由于碳源缺乏可能會限制微生物的大量生長；Walleretal.(2018)分析了橫跨大西洋中部三個州的23種不同設計的生物滯留池中的反硝化功能基因豐度（nirK和nosZ），發(fā)現系統(tǒng)的設計因素將對反硝化基因豐度產生顯著影響，同時基因豐度與介質中有機碳和無機氮的濃度呈正相關，且系統(tǒng)表層的反硝化基因豐度高過底層；Morseetal.（2018）在種植有不同植物的生物滯留系統(tǒng)模擬實驗柱中研究了氮轉化微生物的群落和功能基因豐度，推測反硝化功能菌群與植物存在耦合或競爭的關系，根系發(fā)達的植株可能抑制反硝化微生物的生長并降低系統(tǒng)的反硝化速率；Zuoetal.(2019)在生物滯留池中種植三種不同水生植物，發(fā)現植物種類顯著影響了土壤介質中Ramlibacter屬和Nitrosomonadaceaea屬微生物的數量，進而造成系統(tǒng)氮去除效果差異明顯；李笑玥等（2021）調查了中國深圳市8個典型生物滯留池中總細菌的多樣性與菌門水平分布，結果顯示不同生物滯留池中硝化和反硝化功能基因的豐度存在較大差異。整體而言，與系統(tǒng)內部的土壤介質和植物研究相比，生物滯留池內氮轉化微生物及其功能基因的研究較少；針對反硝化功能菌群的研究較多，但是硝化作用作為氮轉化過程的關鍵前置步驟，其受到的關注度仍然缺失；生物滯留池內部微生物結構極易受到干濕交替影響而表現出不同的功能特征，但目前僅有少數研究關注其降雨周期內的動態(tài)變化規(guī)律（李笑玥等，2020；Chenetal.,2013）。參考文獻AllemanJE.Elevatednitriteoccurrenceinbiologicalwastewatertreatmentsystems[J].Waterscienceandtechnology:ajournaloftheInternationalAssociationonWaterPollutionResearch,1985,17:409-419.AnnavajhalaM,KapoorV,SantoDomingoJW,etal.ComammoxFunctionalityIdentifiedinDiverseEngineeredBiologicalWastewaterTreatmentSystems[J].EnvironmentalScience&TechnologyLetters,2018:acs.estlett.7b00577.Archer,N.A.L.,Quinton,J.N.,&Hess,T.M..2002.Below-groundrelationshipsofsoiltexture,roots,andhydraulicconductivityintwo-phasemosaicvegetationinsouth-eastspain.JournalofAridEnvironments,52(4),535-553.BartelmeRP，McLellanSL，NewtonRJ．Freshwaterrecirculatingaquaculturesystemoperationsdrivebiofilterbacterialcommunityshiftsaroundastablenitrifyingconsortiumofammonia-oxidizingarchaeaandcomammoxNitrospira．FrontiersinMicrobiology，2017，8:101，doi:10．3389/fmicb．2017．00101Beman,J,Michael,etal.DiversityofAmmonia-OxidizingArchaeaandBacteriaintheSedimentsofaHypernutrifiedSubtropicalEstuary:BahíadelTóbari,Mexico.[J].Applied&EnvironmentalMicrobiology,2006,72(12):7767-7777.BleckenGT,ZingerY,DeleticA,etal.Influenceofintermittentwettinganddryingconditionsonheavymetalremovalbystormwaterbiofilters[J].WaterResearch,2009,43(18):4590-4598.BrownRA.EvaluationofBioretentionHydrologyandPollutantRemovalintheUpperCoastalPlainofNorthCarolinawithDevelopmentofaBioretentionModelingApplicationinDRAINMOD.[D].NorthCarolinaStateUniversity.2011.C,FanWangAB,etal."Estimatingnitrogenfatesandgrosstransformationsinbioretentionsystemswithapplicationsof15Nlabelingmethods."

Chemosphere

(2020).C.

Yu,

L.

Hou,

Y.

Zheng,

M.

Liu,

G.

Yin,

J.

Gao,

C.

Liu,

Y.

Chang,

P.

HanEvidenceforcompletenitrificationinenrichmentcultureoftidalsedimentsanddiversityanalysisofcladeacomammox

Nitrospira

innaturalenvironmentsAppl.Microbiol.Biotechnol.,

102

(2018),pp.

9363-9377CamejoPY，DomingoJS，McmahonKD，etal．Genomeenabledinsightsintotheecophysiologyofthecomammoxbacterium“CandidatusNitrospiranitrosa”[J]．MSystems，2017，2(5):1-16CaoYQ,WangZH,MoYL,etal.Effectsoffertilizationandfloodingmanagementonthenumbersofammoniaoxidizingmicroorganismsinpaddysoil[J].JournalofSoilScience,2019(4).ChakravortyS,HelbD,BurdayM,etal.Adetailedanalysisof16SribosomalRNAgenesegmentsforthediagnosisofpathogenicbacteria.JournalofMicrobiologicalMethods,2007(69):330-339.ChaoA.Non-parametricestimationoftheclassesinapopulation[J].ScandinavianJournalofStatistics,1984,11(4):265-270.ChaoY,MaoY,KeY,etal.Novelnitrifiersandcomammoxinafull-scalehybridbiofilmandactivatedsludgereactorrevealedbymetagenomicapproach[J].AppliedMicrobiologyandBiotechnology,2016,100(18):8225-8237.ChaoY,MaoY,YuK,etal.Novelnitrifiersandcomammoxi