氮（N ）循环是由植物和微生物驱动的一系列氧化还原反应，尽管 N 循环主要由微生物驱动， 植物可以改变微生物种群及其驱动的 N 循环过程 。 人工湿地作为 主要由植物和微生物组成的水生生态系统，是一种 具有较大潜力的污水修复技术，最大的优点 是 成本低、能耗少、管理运营简单且环境友好 。由于 长期或定期水淹条件， 人工湿地 是水化学与微生物 N 循环反应发生的热区 ，其次 存在复杂互作界面，尤其根际界面 ；同时 具有时间和空间异质性，异质性由于根际效应而增加 。目前人工湿地中 植物和 N 功能微生物的互作机制仍不清楚 。揭示植物与 N 功能微生物的互作机制对于 湿地优化设计和强化生物脱氮过程有重要意义 。
     本研究通过建立可以高效稳定处理高浓度畜禽养殖废水的人工湿地，研究植物对N 功能微生物种群丰度、结构和互作关系的影响机制，解析植物根系泌氧和模式分泌物对 N 功能种群的调控机制，并利用 D NA 稳定同位素探针技术探究了驱动植物 微生物联合脱 N 过程中的活性关键功能微生物。主要研究结果如下：
     （1）经过 600天的运行，种植绿狐尾藻（ M. aquaticum）的人工湿地实现了对 COD, 氨氮和总氮高效而稳定的去除，去除率分别为 88.2%, 98.3%和 95.9%。植物存在下对 N功能微生物的 主要作用热区 位于 沉积物中 。定量 PCR结果表明硝化基因 AOA amoA AOB amoA 和反硝化基因 nirK, nirS, nosZ在 沉积物中被 M. aquaticum显著增加 。 高通量测序揭示了 M. aquaticum显著 改变了微生物群落的结构，硝化细菌 、 厌氧氨氧化菌和反硝化细菌 被显著富集。 分子生态网络分析表明， N功能微生物 之间的正相关 互作 关系被 M. aquaticum促进。
     （2) 溶氧 微电极技术在空间上 测 得 M. aquaticum根系 周围 存在 一定的泌氧区域 （<400 μm）），柠檬酸钛比色法进一步 证明 M. aquaticum的泌氧能力为 0.019 mg/h/plant。 植物这种根系泌氧特征 可能 构建了沉积物 水体 根表面反硝化作用逐渐增强的有序生态位 ，与兼性厌氧相关的基因和编码反硝化酶的基因显著上调 反硝化功能基因 nirS nirK, nosZ显著增加 尤其是根表面 nosZ基因的丰度与沉积物相比增加 21倍 兼性厌氧的反硝化菌如 Aeromonas（气单胞菌属Pseudomonas（假单胞菌属 21.4%）和 Acinetobacter 不动杆菌属 等在根表面被 显著富集 。 通过对湿地系统 N去除过程中氧气来源和消耗进行理论衡算显示 ，大气复氧 2.8 g/m2/d）可能是水体好氧层 0-5 cm 发生 硝化作用 所需氧气（ 2.5 g/m2/d 的 主要来源，植物根系泌氧（ 0.3 g/m2/d）则促进兼性厌氧的反硝化菌在中层水体（ 5-10 cm）和根表面的生长，从而 实现 湿地 的反硝化作用。
     （3 )通过建立根系泌氧和初级模式分泌物的微宇宙实验模型，揭示了 根系泌氧和分泌物对反硝化过程 的 复合调控作用，发现 模式 分泌物显著提高反硝化活性 。 qPCR结果表明相比模式分泌物，根系泌氧显著影响 narG, nirS, nirK和 nosZ基因的丰度 。 基于 16S rRNA基因的测序结果表明，相较于根系泌氧，模式分泌物更 显著 改变了种群结构， 富集了属于厚壁菌门的 Clostridium sensu stricto 和Bacillus等微生物 。 结构方程模型（ SEM 进一步解析了这种调控作用的因果关系，揭示了 根系分泌物 和种群结构 是反硝化过程 中 的重要驱动力； 即 根系分泌物显著改变种群结构，种群结构进一步显著提高反硝化活性。
     （4) DNA-SIP技术 在 根系泌氧 和 初级模式分泌物的模型中 成功实现了对关键的活性反硝化微生物的标记 。 相较于 根系 泌氧， 模式 分泌物对种群结构影响更为显著 。 Candidatus Koribacter Azospirillum（固氮螺菌属 Burkholderia（伯克氏菌属）， Arthrobacter（节杆菌属 Anaeromyxobacter（厌氧粘细菌 Nocardia（诺卡氏属 Magnetospirillum 磁螺菌属 和 Ralstonia（青枯菌属 等 是添加模式分泌物处理中 关键的 活性 反硝化 微生物，尤其是 Magnetospirillum是对照处理中（ 0.1%）的 15倍，被模式分泌物激活并富集。
      本研究从新的角度揭示了人工湿地高 N去除率下， 湿地 植物 特性 对 N功能微生物的 调控 机制 建立 了 植物特性与 N功能微生物种群之间的联系 。 对于寻找关键 的植物和 功能微生物并推进湿地优化设计提供了理论基础和技术 应用的新途径 。