综述：关于人工湿地中酚类化合物去除机制的见解：效率比较、协同作用及未来优化方向

《Bioresource Technology》：Mechanistic insights into phenolic compounds removal in constructed wetlands: efficiency comparison, synergistic interactions, and future optimization

人工湿地对酚类化合物（Ph、BPA、NP等）的去除机制及性能优化研究。比较垂直流（VF-CWs）、水平流（HF-CWs）和混合系统（Hy-CWs）的效能，揭示好氧生物降解与基质吸附协同作用主导Ph和BPA去除，植物-微生物互作提升NP去除率，混合系统通过多阶段耦合实现>85%高效处理。关键参数包括温度（<10℃显著抑制）、溶解氧及基质特性，未来需发展功能材料、耦合工艺及生态安全评估体系。

　　

余子庚|张志勇|邹志坤|史天宇|霍阳|兰华春|袁宝玲|傅明来

教育部松辽水环境重点实验室，吉林建筑大学，长春130118，中国

摘要

酚类化合物（PCs）作为一种持久性的内分泌干扰物，对全球环境构成了挑战。本文综述了人工湿地（CWs）中去除PCs的机制，并比较了不同配置下的处理效果。结果表明，在好氧条件下，垂直流人工湿地（VF-CWs）通过底物吸附和好氧生物降解的协同作用，能够更有效地去除苯酚（Ph）和双酚A（BPA），其效果优于水平流人工湿地（HF-CWs）。植物与微生物的协同作用至关重要，植被系统通过根际微生物富集和酶活性的提高增强了BPA和非诺酚（NP）的去除效果。具有多级单元的混合人工湿地（Hy-CWs）比单级系统具有更高的去除效率，这突显了集成工艺的优势。此外，本文还讨论了关键操作参数（包括底物性质、温度和溶解氧）的调节作用。这些见解为优化人工湿地提供了理论基础，并指出了未来的研究方向，包括功能材料开发、多工艺技术耦合以及生态安全评估框架。

引言

内分泌干扰物（EDCs）是一类新兴污染物，近年来因其对水生生态系统和人类健康的威胁而受到广泛关注（Surana等人，2022年）。这些物质通过模仿或拮抗内源性激素来干扰内分泌功能（Varticovski等人，2022年）。在各种EDCs中，酚类化合物（PCs）由于其独特的化学结构和广泛的环境分布而特别值得关注（Esteban等人，2016年）。常见的PCs如苯酚（Ph）、双酚A（BPA）、非诺酚（NP）、辛基酚（OP）和三氯生（TCS）被广泛用于生产环氧树脂、聚碳酸酯塑料、纺织助剂、表面活性剂、个人护理产品和医用消毒剂（Chaussoy等人，2023年；Huang等人，2012年；Wang等人，2022年；Marques等人，2017年；Ryu等人，2024年）。表S1总结了目标污染物的物理化学性质。研究表明，PCs可以通过干扰涉及雌激素受体（ER）和雄激素受体（AR）的分子途径，对人体生殖、免疫和神经内分泌系统造成连锁损害（Li等人，2012年；Ma等人，2019年）。这些生态毒性效应表现为个体层面的影响（例如，生殖器官异常），并进一步影响到生态系统层面，导致群落结构的变化（例如，物种组成和食物网中的相互作用）以及关键物种的数量结构变化（例如，年龄或大小分布）（Jain等人，2022年）。这些变化通过营养级放大效应被放大。

由于PCs的环境持久性，它们通过生产排放、处理系统泄漏和意外排放不断进入生态系统（Zhang等人，2021年）。研究表明，传统污水处理厂对PCs的去除效率差异很大（表S2）。例如，活性污泥系统的平均BPA去除率仅为约71%，范围在26%–81%之间（Deblonde等人，2011年）；苯酚的去除率变化更为显著（33%–96%（Salaudeen等人，2019年），而三氯生的去除率则明显较低（39%–62%（Mohan和Balakrishnan，2019年）。这种性能不一致性常常导致出水浓度超过监管限值——例如，饮用水中总PCs的限值为0.5 μg/L，淋浴水中为5 μg/L——从而对生态系统和人类健康构成风险（Kumar等人，2014年；Silva等人，2009年）。

人工湿地（CWs）为PCs的去除提供了一种基于自然的可行方案。这些系统利用底物、微生物和植物之间的协同作用，通过微生物降解、底物吸附和植物修复来去除污染物（Tang等人，2020年；Yang等人，2018年）。CWs的一个关键优势是其成本效益：建设成本约为每公顷18,000–180,000美元（相当于每立方米0.23–2.30欧元，基于典型深度0.8米），年运营成本低至每公顷500美元（约每立方米0.04欧元）（Flores等人，2020年）。与传统技术相比，这大大降低了生命周期成本。它们对能源的需求较低，通常依靠重力流或少量太阳能满足，同时具有额外的环境效益，如创造栖息地，进一步凸显了其可持续性（Carty等人，2008年；Flores等人，2023年）。这种集成方法可以实现对BPA等内分泌干扰物的去除效率超过85%（Herouvim等人，2011年），并提供双重效益，包括低碳足迹和生态修复，从而为高级微污染物处理提供了基于自然的解决方案。

尽管取得了明显进展，但专门针对人工湿地中PCs去除的系统性综述仍然较少，现有研究往往在污染物范围上有限且缺乏综合分析。本文旨在通过将PCs作为核心研究对象来填补这一空白，以制定针对性的修复策略。为了识别研究趋势，使用2010年至2025年的出版物构建了一个关键词共现网络（图1）。通过Web of Science和PubMed搜索“人工湿地”和“苯酚”这两个术语，最初检索到183篇文章。根据包含标准（如特定CW配置中PCs的定量去除率）进行了严格筛选，选出了40篇高度相关的文章进行深入分析。本文综合了现有知识，阐明了基本的去除机制，并比较了不同CW设计的处理效果，强调了底物性质、水力条件、根际微生物动态和植物特定修复作用的协同作用。最终，本文旨在建立一个机制框架，以指导人工湿地的高效PCs去除优化，为应用人工湿地控制酚类污染提供明确的理论和技术路径。

部分摘录

人工湿地中酚类化合物的去除效率

人工湿地被广泛认为是生态可持续的废水处理方法。然而，由于设计和运行差异，不同类型的人工湿地在去除效率上存在显著差异（Ilyas和Van Hullebusch，2019年；Ilyas和Van Hullebusch，2020年）。

本节探讨并比较了各种CW配置的处理效率，重点关注它们去除特定酚类化合物（PCs）如Ph、BPA、NP、OP和TCS的能力。

底物

底物、植物和微生物是人工湿地的三个基本要素，各自在污染物去除中发挥着关键作用（Sandoval等人，2019年；Wei等人，2024年；Zhong等人，2024年）。其中，底物在人工湿地中起着关键作用，提供物理支撑、过滤、吸附、促进生物降解、促进氧气传递、管理营养物质、调节pH值以及创造多样的微环境（Cakin等人，2024年）。这些功能共同增强了净化效果。

温度

温度变化直接影响人工湿地中的关键过程，包括微生物活性、植物生长和PCs的物理化学性质（Capit?o等人，2021年；Jung等人，2023年）。在10°C以下的温度下，微生物的同化和植物吸收过程受到严重限制（Liao等人，2019年）。微生物活性和代谢率的下降显著阻碍了异养细菌对有机污染物的降解（Ren等人，2016年）。同时，植物的氧气需求也受到影响。

人工湿地中酚类化合物的去除机制

人工湿地采用多种协同机制去除PCs，在不同系统配置中主导的途径各不相同（图5（d））。主要的去除机制可以分为四个相互关联的过程：i) 水表面的光化学降解，在自由水面系统中尤为显著，紫外线辐射会引发芳香结构的自由基介导分解（Xu等人，2022年；Zhang等人，2022年）；ii) 底物介导的

混合人工湿地（Hy-CWs）系统

未来的研究应优先优化Hy-CWs的配置——特别是垂直-水平流耦合系统——以利用好氧和厌氧过程的协同作用，提高常规和难降解污染物的去除效率。关键工作包括对分区HRT管理的系统研究（例如，在厌氧区延长HRT以实现反硝化；在好氧区缩短HRT以提高降解效率）以及分层底物组成的优化（例如，

结论

人工湿地通过底物吸附、微生物降解和植物-微生物相互作用等协同机制实现了高效的酚类化合物去除。结合垂直和水平流的混合人工湿地能够提高顽固性PCs（如BPA和NP）的去除效率（>85%），通过结合好氧和厌氧过程。操作参数如分区HRT、温度和pH值对微生物活性和降解途径起着关键调节作用。

未引用的参考文献

Banc等人，2021年；Campos等人，2019年；Dai等人，2017年；Dehmani等人，2024年；Hijosa-Valsero等人，2011年；Islam等人，2021年；Leung等人，2016年；Li等人，2021年；Mojiri等人，2017年；Pelch等人，2019年；Rehman等人，2017年；Reyes-Contreras等人，2012年；Sánchez等人，2022年；Toro-Vélez等人，2017年；Wang等人，2019年；Xu等人，2021年。

CRediT作者贡献声明

余子庚：撰写——初稿；可视化；方法论；调查；数据整理。张志勇：撰写——审稿与编辑；项目管理；资金获取；概念化。邹志坤：撰写——审稿与编辑；可视化。史天宇：形式分析。霍阳：兰华春：方法论。袁宝玲：撰写——审稿与编辑；监督；资源获取。傅明来：监督；资源提供。

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