水の利用可能性と供給力学は社会にとって大きな関心事です.水質は水の利用可能性のダイナミクスにも影響を与えます。これは、使用または再利用できるきれいで安全な水を確保したいからです。ミシガン州フリントでの事件や、テキサス州オースティンやジョージア州アトランタなどの著名な都市での都市全体の沸騰通知により、水質は最近脚光を浴びています.フロリダの沿岸水域、チェサピーク湾、エリー湖で見られるような大規模なアオコの異常発生は、水中の酸素利用可能性の低下から大規模な魚の死滅まで、一連の負の環境影響を引き起こす可能性があります。藻類の花は、水に含まれる栄養素、特に窒素とリンの量に直接関係しています。したがって、栄養素を調整または削除します。藻類の花を止めます。水質を改善します。
人工湿地は、水路の栄養汚染を緩和する 1 つの解決策です。それらは、自然に発生する湿地の自然のろ過および浄化特性を模倣することによって機能します。特に、浮遊処理湿地 (FTWs) は、水域内の栄養修復のための有望なタイプの人工湿地です。浮遊処理湿地は、海岸線から離れて自然に浮かぶ葦原をモデルにしています。これらのシステムは、植物の生命を維持するためにマットやいかだなどの浮力のある構造を採用しており、植物の栄養芽は水線の上に吊り下げられ、根は水に直接さらされています。水耕栽培に精通している人にとって、概念は似ています。根が水に直接アクセスできるようにすることで、植物は自然な成長過程で過剰な窒素とリンを除去するように働きます.
FTW は、港から川、湖、貯水池まで、さまざまな水系に導入されています。以前の研究では、他のタイプの造成された湿地が、水源への曝気の追加から利益を得て、水の混合、植物の成長、および栄養素の取り込みを促進したことが示されています (Bowmer, 1987; Maltais-Landry et al., 2007, 2009; Zhang et al. 、2010）。ただし、FTW は、土壌や底質が不足しているため、他の人工湿地とは機能が大きく異なります。 FTW システムにエアレーションを追加することは有益でしょうか?地元のコミュニティが貯水池に噴水を追加したい場合はどうなりますか? FTW の有効性を損なうことはありますか?
エアレーションが実際に重要な理由をよりよく理解するために、窒素循環と呼ばれるこの小さな自然のシステムがあります。それを覚えて？牛の糞。うんちは分解されてアンモニウムになります。アンモニウムは亜硝酸塩に変換されます。亜硝酸は硝酸塩になります。植物は硝酸塩を吸収します。牛は植物を食べます。このシステムで重要なことは、アンモニウムから亜硝酸塩への変換、および亜硝酸塩から硝酸塩への変換が、硝化細菌のみによって行われることです。これらのバクテリアが生き残るためには、好気性条件と呼ばれる水中に酸素が存在する必要があります。酸素レベルが低下しすぎると、システムは嫌気性 (酸素なし) と見なされ、窒素サイクルは代わりに窒素ガスの生成に移行します。窒素ガスは大気中に放出され、植物によって消費されないため、植物による窒素へのアクセスが減少します.
私たちの研究では、FTW の 1 つのセットを水槽のバブラーにさらしてシステムに酸素を導入しましたが、他の FTW セットでは追加の酸素源を提供しませんでした。通気がない場合、酸素レベルは 2 mg/L を超えて維持されましたが、通気した場合、平均酸素レベルは 7 mg/L を超えました。非曝気システムと曝気システムの酸素濃度の違いにもかかわらず、非曝気システムの酸素濃度は 1 mg/L 未満に低下することはありません。つまり、嫌気性になることもありません。人工湿地の他の形態では嫌気性条件に到達する可能性がありますが (Butterworth et al., 2013; Fan et al., 2013)、FTW は水面全体でのガス交換を可能にし、追加の人工曝気なしで硝化プロセスに許容可能な曝気レベルを維持します。
他の研究では、通気を追加することで、人工湿地が好気性を維持できるようになり、植物が水から吸収して除去できる硝酸塩の生産が増加しました。 FTW を使用した場合も同様の結果が得られました。曝気された植物は、曝気されていない植物と比較して、植物組織内の窒素量が多かった.しかし、水柱内の栄養素の全体的な修復を見ると、別の話が出てきました。非曝気システムは、実際には窒素の除去においてより効率的でした。では、非曝気システムが曝気システムよりも多くの窒素を除去していたが、最終的に植物に到達する窒素が少なかったとしたら、それはどこに行ったのでしょうか?
しばらく頭を悩ませた後、データに戻り、2 つのもっともらしい理由を見つけました。最初の解決策は簡単です、雑草です。庭師なら誰でも知っているように、私たちはFTWで雑草を取り除き、成長を防ごうとしましたが、時には戦いに負けることがあります.雑草の数と雑草に含まれる栄養素のレベルを評価することにより、システムからの窒素除去のわずかな割合に寄与する非曝気FTWで雑草の存在が高いことがわかりました.しかし、これは私たちの殺戮を生き延びた雑草だけを説明していました.実験を通して除去された雑草も、システムからの窒素除去のある程度の原因となったでしょう。
2 番目の理由は、溶存有機炭素 (DOC) またはシステム内で利用可能な炭素の量に関連しています。 DOC の原因には、植物の根系から放出される有機物、藻類、および代謝物の腐敗が含まれる可能性があります。曝気システムと非曝気システムの各システムの DOC 量を評価すると、非曝気システムの DOC が曝気システムより 30% 多いことがわかりました。これは、DOC が栄養シンクとして機能できるため重要です。つまり、窒素はこの有機物に吸着され、水柱から除去されます。さらに、高DOCは、嫌気性条件に達していなくても、脱窒プロセスを促進するために実際に働くことができます.したがって、非曝気システムからの窒素損失は、酸素レベルが高いにもかかわらず、窒素ガスの形である可能性があります。
最終的には、FTW は通気条件と非通気条件の両方で効果があるようです。ただし、システムからの窒素の除去の形態はさまざまであり、通気システムと雑草の主なプロセスとしてのシステム植物の除去、非通気条件での主なプロセスとしての DOC 収着、および窒素ガスの放出の可能性があります。どちらのシステムも水質の向上に役立ち、きれいな地表水が可能になる未来を確保するのに役立ちます.
