《Environmental Research》：Machine learning-enabled Meta-analysis reveals the effect of microplastics on nitrogen removal performance in constructed wetlands and its potential mechanisms
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微塑料对人工湿地脱氮性能的影响机制及调控策略研究通过元分析整合34项研究共1903个数据集，揭示微塑料（MPs）通过改变微生物代谢活性和植物光合作用引发氧化应激，抑制人工湿地（CWs）脱氮性能，其中MPs的剂量频率和暴露时间起主要作用。优化CWs设计参数（如C/N比、HRT）和种植模式可缓解MPs影响，为复杂污染下CWs稳定运行提供科学依据。
Nijing Zhong|Qiuying An|Ce Wen|Changzhou Yan
中国科学院城市环境研究所区域与城市生态安全国家重点实验室、福建流域生态重点实验室，中国厦门361021
摘要
人工湿地（CWs）是一种有效的废水处理系统，也是微塑料（MPs）的重要汇。然而，微塑料对人工湿地氮去除性能的影响仍不明确。本研究收集了34项研究中的1,903个数据集，通过元分析探讨了微塑料对人工湿地氮去除性能的影响及其相关特征和实验参数。结果表明，微塑料的投加频率和暴露时间是主要影响因素，并且两者之间存在正相关关系。微塑料通过改变微生物和植物的代谢活动影响氮去除性能。微塑料减少了硝化或反硝化过程中Chloroflexi和Bacteroidetes的相对丰度，降低了NIR和NAR活性以及narG的丰度，从而影响反硝化过程；同时通过降低HAO活性影响硝化过程。此外，人工湿地的运行参数（如进水碳氮比、湿地类型、植物类型和水力停留时间HRT）也影响氮去除性能。具有混合种植模式和适当HRT及进水碳氮比的水平潜流式人工湿地可能有效减少微塑料对氮去除性能的影响。本研究有助于加深对微塑料污染对人工湿地氮去除性能影响的理解，为未来复杂污染负荷下人工湿地的稳定运行管理提供科学可靠的参考依据。
引言
塑料制品因其耐用性、可塑性和低成本而在人类生活的各个领域得到广泛应用，预计到2025年全球产量将达到5亿吨（Zhou等人，2023年）。然而，大量塑料废物通过物理、化学和微生物作用降解为微塑料（MPs，1 μm-5 mm）和纳米塑料（NPs，<1 μm）。这些微塑料通过废水排放、地表径流和大气沉降进入废水处理系统，成为微塑料污染的来源（Yang等人，2022b）。作为一种环保的废水处理系统，人工湿地被广泛用于含氮废水的预处理和深度处理，但这种处理方式可能导致微塑料积累量超过传统废水处理系统（Yu等人，2024年），从而影响人工湿地的氮去除性能。因此，研究微塑料对含氮废水处理性能的影响有助于更全面地评估和预测人工湿地在复杂污染负荷下的运行稳定性和环境适应性。
微塑料的特性及其在人工湿地中的实验参数是影响氮去除性能的关键因素（Vymazal，2011年）。现有研究表明，微塑料的浓度、类型和大小是影响氮去除性能的关键因素。聚苯乙烯（PS）会显著降低氮去除效率（Zhang等人，2024年），但在高浓度（100 mg/L）下这种影响会逆转（Cui等人，2023年）。小尺寸微塑料通过抑制植物和微生物生长及关键功能基因的丰度加剧了这一现象（Zhao等人，2024c）。另一方面，微塑料的暴露时间和投加频率作为实验参数，与浓度一起决定了其生态风险。不同的微塑料暴露时间会对氮去除性能产生不同影响（Yang等人，2022年）。微塑料的投加频率可能会加剧氮去除性能的下降。除了微塑料的特性和实验参数外，人工湿地的设计和运行参数（如进水碳氮比、湿地类型和水力停留时间HRT）也对氮去除性能至关重要（Pan等人，2024年）。
微生物和植物通过其代谢过程在人工湿地中去除氮（Wu等人，2014年）。微塑料的积累通过影响微生物群落结构、酶活性和功能基因表达，对人工湿地的氮循环产生系统性影响（Yang等人，2022年）。微塑料的疏水性和表面粗糙度有助于微生物附着，影响微生物生长和繁殖，进而改变微生物群落结构并影响氮循环（Liu等人，2023b；Yang等人，2022a，2022b）。此外，在微生物作用下，微塑料会老化并释放有毒物质到环境中（Zhao等人，2024b），这可能对某些微生物造成氧化应激损伤，改变其群落丰度、氮循环关键基因的转录能力和氮循环酶活性，最终影响氮去除性能（Wang等人，2017年）。微塑料及其有毒物质还会对植物造成氧化应激损伤，影响其生长和光合作用（Yu等人，2022年），从而影响植物的氮吸收和利用，进而影响人工湿地的氮去除性能（Chen等人，2022年）。
总之，微塑料对人工湿地氮去除性能的影响受到了广泛关注，已有相关实验研究（见图S1和S2）。然而，不同研究中使用的微塑料特性可能导致结果存在矛盾（见表S1），因此我们对微塑料影响仍缺乏清晰的认识。为此，我们采用元分析整合了大量研究数据，以系统客观地探讨这一科学问题。目前，有部分科学家研究了微塑料对土壤生态系统氮循环的影响（Wang等人，2024年；Xiang等人，2025年），但人工湿地与土壤生态系统之间存在显著差异，使得研究结果难以直接推广到人工湿地。传统元分析难以评估影响氮循环的因素的相对重要性，无法为复杂环境条件下人工湿地的稳定运行提供可靠的技术支持。为克服这些方法学限制并提高结果可靠性，我们采用了创新的数据挖掘整合方法——结合可解释机器学习的元分析，研究微塑料对人工湿地氮去除性能的影响并阐明其机制。该方法不仅整合了现有数据，还量化了影响氮循环的各种因素的相对重要性，有助于更深入地理解人工湿地中的关键驱动机制。
本研究通过元分析探讨了微塑料特性、实验设计参数和人工湿地运行参数对氮去除性能的影响，并利用随机森林回归和SHAP算法明确了各影响因素的相对重要性及其相互作用。通过这些研究，我们加深了对微塑料在严重污染条件下对人工湿地氮去除性能影响的理解，为未来复杂污染负荷下人工湿地的稳定运行管理提供了科学可靠的参考依据。
参考文献
文献收集
数据收集来自Web of Science、PubMed和Springer Nature Link，检索标准为：("microplastic*" OR "plastic*" OR "micro plastic*" OR "micro-plastic*" OR "nanoplastic*" OR "nano plastic*" OR "nano-plastic*") AND ("CWs" OR "treatment wetland*" OR "engineered wetland*" OR "artificial wetland*" OR "man-made wetland*" OR "Constructed wetland*" OR "water-plant-sediment")。此次检索共获得781篇相关文章。
微塑料对人工湿地氮去除性能的影响
初步研究表明，微塑料的存在显著抑制了人工湿地的氮去除效率，表现为总氮（TN）、NH4+-N和NO3--N的去除效率降低（见图S3）。进一步分析表明，微塑料的浓度、投加频率、暴露时间和类型共同影响了微塑料暴露下人工湿地的氮去除效率（见图S4）。
分组分析和相关性分析
结论与未来展望
本研究指出，微塑料的引入显著抑制了人工湿地的氮去除性能。这一现象主要受微塑料的特性和实验参数（如浓度、大小、类型、投加频率和暴露时间）以及人工湿地的设计和运行参数（如进水碳氮比、湿地类型、植物类型和水力停留时间HRT）的影响。其中，微塑料的投加频率和暴露时间是影响氮去除性能的主要因素。
作者贡献声明
Changzhou Yan：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金申请、概念构思。Qiuying An：数据可视化、软件应用、方法论设计。Ce Wen：数据可视化。Nijing Zhong：原始稿撰写、数据可视化、软件应用、方法论设计、实验设计、数据整理
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项目得到了国家重点研发计划（编号：2022YFF1301304）的支持。
