《Journal of Hazardous Materials》：Trade-offs between organic micropollutants removal and microbiological risks: an evaluation of plant species in nature-based biofiltration systems
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本研究评估了四种本地观赏植物在浸没式生物滤池系统中对有机微污染物的去除效率及微生物安全性。结果表明，紫菀（P4）去除效率最高，但引发微生物风险；而P1和P2在去除污染物的同时降低抗生素耐药基因等微生物风险，更为适宜再生水处理。
熊阳辉|张宏波|程洪|帕维尔·马尔切夫斯基|叶夫根·米什克维奇|洪佩英
沙特阿拉伯图瓦尔国王阿卜杜拉科技大学（KAUST）可持续粮食安全卓越中心，邮编23955-6900
摘要
在基于自然的生物过滤系统中，具有广泛根系和高生物量的植物种类能够提高传统污染物的去除效率。随着对有机微污染物（OMPs）的关注日益增加，有必要重新评估这些用于再生水处理的植物选择标准，并同时考虑微生物安全性。本研究评估了四种本地观赏植物在淹没式生物过滤系统中的OMPs去除性能。紫喷泉草（P4）在去除OMPs和营养物质方面表现出最高的效率，例如二氯芬酸的去除效率达到了90.6%。相比之下，Vinca rosea（P3）的去除效率最低，为35.5%，而Acalypha wilkesiana（P1）和Canna indica（P2）的表现介于两者之间。然而，P4由于机会性病原菌和抗生素抗性基因（ARGs）的相对丰度增加而引发了微生物安全问题。相比之下，P1和P2显著降低了ARGs和移动遗传元件（MGEs）的相对丰度，去除效率高达97.2%。综合考虑OMPs去除和微生物安全性，P1和P2似乎是最合适的选择。本研究的结果为基于自然的生物过滤系统中的植物选择标准提供了启示，有助于进一步净化再生水，以减少残留新兴污染物的存在。
引言
有机微污染物（OMPs）包括农药、药品、添加剂和个人护理产品（PCPs），它们普遍存在于各种水生生态系统中[1]。尽管这些物质的浓度通常很低，范围从几纳克/升到几百微克/升，但它们在环境中的存在仍令人担忧。这是因为它们具有高持久性、广泛传播性，并且在长期累积暴露下可能对人类和野生动物造成毒性[2]。
已经有多种技术被广泛用于从水体中去除OMPs，如膜过滤、颗粒活性炭吸附、高级氧化过程（AOPs）和生物过滤[3],[4]。其中，生物过滤因其成本效益和环境可持续性而受到认可[5]。它可以用作一种低成本的方法来进一步去除再生水中的残留污染物。根据是否存在植物，生物过滤系统可以分为有植物系统和无植物系统。先前的研究表明，植物根系可以吸收和积累某些OMPs（例如咖啡因和N-二乙基甲苯胺）[6]，这表明有植物系统可以通过植物修复作用提高污染物去除效率。此外，有植物系统的生物过滤还具有额外的生态效益，包括碳封存、侵蚀控制、生物多样性提升和美观改善，优于许多传统净化技术[7],[8],[9]。
这些系统通常用于雨水管理（例如公路和农田径流），在某些情况下也用于灰水处理[10],[11],[12],[13],[14]。在这些有植物系统中，植物种类可以显著影响污染物去除效率。例如，具有深而广泛根系的植物种类（如Typha latifolia、Sparganium）在去除石油烃和重金属方面表现优异[10]，而其他植物如Carex appressa在去除氮方面效果较好，但在去除病原体方面效果较差[15]。
微生物通过促进底物吸收和支持污染物的共代谢降解进一步增强了植物修复作用。例如，Pseudomonas fluorescens通过根系发育和植物激素调节提高了Sedum alfredii对镉的耐受性[16]，而Aspergillus luchuensis有助于重金属的迁移和植物生长[17]。Sphingomonas yanoikuyae利用植物根系分泌物将苯并[a]芘的去除率降低了0.2-0.3%[18]，Avena barbata相关的微生物将多环芳烃（PAHs）的去除率提高了44-62%[19]。
以往关于有植物生物过滤的研究主要集中在去除传统污染物（营养物质、重金属和病原体）上。植物选择标准主要基于形态特征，如根系结构和地上部分形态[7]。例如，具有广泛根系和高生物量的植物表现出更好的总氮去除和水分吸收能力[20]。然而，随着对再生水中OMPs存在及其对环境和人类健康潜在影响的关注日益增加，现有的植物选择标准需要重新评估，以更好地利用有植物生物过滤技术来进一步净化下游环境中的再生水。本研究建立了包含同时进行好氧/厌氧区的有植物生物过滤系统。选择了四种本地观赏植物，它们的主要特征总结在表S1中，因为这些植物被广泛用于生物过滤系统，以提升景观美观性和实现植物修复。在四个月的成熟期内，比较了这些植物在基于植物的生物过滤系统中去除OMPs的效率。此外，还研究了植物种类对ARGs保留和微生物群落结构的影响。实验设计旨在确定最有效的植物种类，以在基于自然的生物过滤系统中提高OMPs去除效率，同时确保微生物安全性。
部分摘录
进水
本研究使用的水来自KAUST污水处理厂（WWTP）中全尺寸好氧膜生物反应器（AeMBR）的出水经过氯化处理。该污水处理厂处理来自KAUST整个社区10,000人的生活污水。氯化后AeMBR出水的操作条件在之前的研究中已有描述[21]。简而言之，水力停留时间（HRT）为6.5小时，污泥停留时间（SRT）为40天，进水中的游离氯含量为
OMPs的去除效果取决于植物种类
尽管进水中添加了50微克/升的主要OMPs和10微克/升的次要OMPs，但测量浓度始终低于标称值（图1A），这可能是由于批量投加系统（约60平方米）在室外高温环境下（沙特阿拉伯最高温度可达50°C）操作所致。然而，所有基于植物的柱子都是并行操作的，并且从同一投加系统接收进水，确保每个柱子进入的初始OMPs浓度相同
讨论
在四种选定的植物种类中，P4在去除OMPs和营养物质方面表现出最高的效率，但这伴随着较高的微生物风险。相比之下，P3的OMPs去除效果最低，而P1和P2的表现介于两者之间。值得注意的是，P4与较高的细菌病原体和ARGs水平相关，从而增加了微生物风险。相反，P1和P2中的ARGs显著减少。这些结果表明
结论
有植物生物过滤系统在污染物去除方面优于无植物系统。在有植物系统中，紫喷泉草（P4）的OMPs和营养物质去除效果最高，Vinca rosea（P3）的效果最低，而P1和P2的表现介于两者之间。然而，P4显示出较高的细菌病原体和的相对丰度，从而引发了微生物安全问题。P1和P2中的ARGs（和）和MGE（即）显著减少。
环境影响
研究结果强调了植物种类在提高基于自然生物过滤系统去除新兴污染物能力的同时维持微生物安全方面的关键作用。这些见解为设计此类系统提供了宝贵的指导，以增强水生环境对新兴污染物的抵抗力。
资金来源
本研究得到了沙特阿拉伯国王阿卜杜拉科技大学（KAUST）可持续粮食安全卓越中心的资助，资助编号为5934。
CRediT作者贡献声明
洪佩英：概念构思、资金获取、项目管理、资源调配、监督、撰写——审阅与编辑。帕维尔·马尔切夫斯基：实验研究。叶夫根·米什克维奇：方法论。熊阳辉：概念构思、数据分析、实验研究、方法论、初稿撰写、审阅与编辑。张宏波：数据分析、数据管理、实验研究。程洪：概念构思、撰写——审阅与编辑。
致谢
我们非常感谢澳大利亚新南威尔士大学土木与环境工程学院的Veljko Prodanovic博士提供了关于VBS柱配置的基本信息，以及澳大利亚昆士兰科技大学工程学院的Ana Deletic博士提供了关于淹没式自然生物过滤系统的详细信息。此外，作者还要感谢Mohammed Abu先生
