编辑推荐：
生物滞留系统通过植物、填充料和微生物协同作用处理城市雨水径流污染。本研究选用耐旱涝蜘蛛植物（Chlorophytum comosum 'Green'）和牡蛎壳填充料，构建含20%牡蛎壳的改良系统，连续运行197天。结果表明：牡蛎壳系统渗透系数提高，污染物去除率显著（氨氮、硝酸盐、总氮去除率均超90%，COD去除率优于传统系统），植物生物量与氮去除效率呈正相关。协同效应促进Nitrospira等关键微生物增殖，提升氮磷转化效率。
罗月|傅腾飞|董彦格|孙晓晓|韩洋洋|刘春静|谢文霞
青岛大学环境与地理学院，中国青岛，266071
摘要
由于植物、填料和微生物的协同作用，生物滞留系统常用于城市雨水径流处理。传统的生物滞留系统往往面临对植物要求严格和介质失效的风险。因此，本研究选择了耐旱和耐洪的Chlorophytum comosum ‘Green’（蜘蛛植物）和多孔牡蛎壳填料来建立改良的生物滞留系统。这些系统连续运行了197天，以研究它们在不同污染物负荷下的综合性能。结果表明，含有20%牡蛎壳颗粒的C. comosum-牡蛎壳系统的渗透系数和滞留率显著高于没有植物或牡蛎壳的系统（p < 0.05）。在低负荷进水阶段，该系统对氨氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3?-N）和总氮（TN）的去除率超过90%。此外，在所有进水负荷条件下，其化学需氧量（COD）去除性能均优于传统生物滞留系统。观察到C. comosum的总生物量与系统的氮去除效率之间存在显著的正相关关系（p < 0.05）。植物和牡蛎壳的协同作用显著增加了参与氮和磷转化的功能性微生物群落的相对丰度，包括Nitrospira、Thauera和Bacillus。总体而言，C. comosum和牡蛎壳填料的联合应用可以同时提高生物滞留系统的水力特性和污染物去除性能，为城市径流污染控制和可持续水资源管理提供了新的见解。
引言
快速的城市化进程加剧了城市洪水和径流污染的双重挑战（Leng等人，2020年）。相关研究表明，超过50%的地表水氮污染来自雨水径流（Gao等人，2019年）。作为一种可持续的雨水管理技术，生物滞留系统可以模拟特定地区的自然土壤系统，有助于水文控制和水质改善（Shah等人，2024年）。
典型的生物滞留系统从上到下依次由植物、表面积水层、种植土层、透水填料层和排水层组成（Roy-Poirier等人，2010年）。填料介质的表面特性和孔结构是直接影响污染物去除效率和水力性能的关键因素（Chen等人，2024年；Kandra等人，2014年）。目前，传统生物滞留系统中的填料主要由细粒土壤、沙子和有机物按特定体积比混合而成（Tirpak等人，2021年）。传统填料能有效去除雨水径流中的悬浮固体和颗粒污染物，但它们对氮和磷等污染物的去除效率仍然不稳定（Kratky等人，2017年；Yang等人，2024年）。为了解决这个问题，人们逐渐在生物滞留系统中使用具有经济可行性的天然填料（如沸石）、改良填料（如生物炭）和工业副产品（如粉煤灰）来提高氮和磷的去除效果（Tran等人，2025年）。然而，这些填料的污染物吸附能力有限，再生困难，并且容易堵塞系统（Vogel等人，2021年；Zhang等人，2020年）。
牡蛎壳是一种可回收资源，具有多孔结构和缓冲能力，可用作吸附剂和生物膜载体（Wu等人，2014年）。这些特性使它们适用于多种废水处理系统配置（例如，填充床过滤器、 constructed wetlands），尤其是在沿海地区（Chen等人，2019a；Geng等人，2024年；Yang等人，2022年）。先前的研究表明，牡蛎壳可以从受污染的水体中去除氨氮（NH4+-N）、磷酸盐和重金属（Lin等人，2022年；Pap等人，2022年；Xu等人，2021年）。包含牡蛎壳层的生物滞留系统在处理径流污染物时表现出稳定的总磷（TP）去除效果，平均去除率高达96.48%（Wang，2019年）。Li等人（2022年）还报告称，使用牡蛎壳填料可以有效提高总氮（TN）的去除效果。虽然这些研究主要关注牡蛎壳填料在污染物去除方面的性能，但植物在整个系统性能中的作用却较少受到关注。
作为系统的顶层组成部分，植物对于驱动干湿循环、微生物群落结构和土壤物理化学性质的变化至关重要（Skorobogatov等人，2020年）。植物可以直接吸收雨水污染物，并通过改变微生物的组成和丰度来影响生物滞留系统中污染物的渗出浓度（Davis等人，2006年；Muerdter等人，2018年）。此外，植物还可能影响生物滞留系统的水力性能。植物根系形成的大孔和根通道可以增强填料介质的渗透性，防止系统堵塞（Vijayaraghavan等人，2021年）。密集的植物根系促进了填料介质颗粒的均匀垂直分布，减少了它们随水流的移动性，从而提高了整体水力性能（Chandrasena等人，2017年；Hua等人，2014年）。
然而，在生物滞留系统中维持植物的正常生长也面临相当大的挑战。所使用的植物物种必须能够适应干旱和周期性积水之间的变化，以及系统内积累的污染物（Hanslin等人，2017年）。目前，Canan indica L.（印度射叶）和Iris spp.是生物滞留系统中的主要选择，因为它们具有广泛的根系和耐淹性（Ding等人，2023年；Gong等人，2019年）。然而，它们对气候和土壤条件有严格的要求（Liu等人，2019年）。C. comosum适应不同气候的能力很强，耐旱和耐淹（Chatara等人，2023年）。除了能显著减少空气中的挥发性有机化合物（VOCs）、甲醛和多环芳烃（PAHs）等有毒气体（Hubai等人，2023年；Qiao等人，2023年；Siswanto等人，2020年）外，它还可以有效去除水体中的污染物。Pan等人（2021年）报告称，使用水培C. comosum基生态浮床可以增强化学需氧量（COD）的去除效果，与无植物对照组相比，去除率提高了23%，最高去除率达到75%。包含C. comosum的多单元绿墙系统在黑水处理过程中表现出旺盛的生长，平均NH4+-N去除率高达98%（Wang等人，2024b）。Pivetta等人（2023年）证实，种植C. comosum的传统生物滞留系统能有效去除硝酸盐氮（NO3?-N）和正磷酸盐（PO43--P），平均去除率分别为93%和97%。然而，本研究缺乏对植物在改良填料介质中生长适应性的评估。
基于这些原因，本研究选择了C. comosum ‘Green’和牡蛎壳作为生物滞留系统的植物和填料。具体目标是：（i）观察C. comosum在含有粉碎牡蛎壳填料的生物滞留系统中的生长情况；（ii）分析C. comosum-牡蛎壳系统的水力特性和污染物去除性能；（iii）探讨这种改良生物滞留系统中有效去除污染物的机制。
系统设置
生物滞留系统中的土壤介质通常由40%-50%的壤土和50%-60%的河沙组成，这种体积比范围能够保持最佳渗透性（Liu等人，2014a）。在本研究中，不含牡蛎壳的系统使用了4.5:5.5的壤土与河沙体积比。先前的研究表明，20%的牡蛎壳比例是替代沙子的临界值（Kuo等人，2013年；Yoon等人，2003年）。基于对填料比例的初步筛选，这
系统运行期间的植物生长
经过一段时间的稳定运行后，图2显示了B2-B4生物滞留系统中C. comosum的生长状况。在整个实验过程中，B4系统的叶片数量始终高于B3系统。相比之下，植物高度方面B3 > B4（图2a）。从第59天到第187天，B3和B4系统的平均叶片长度分别从19.40 ± 0.97厘米增加到44.30 ± 1.22厘米，从16.20 ± 0.81厘米增加到32.50 ± 1.25厘米，呈现出一致的趋势
植被种植对改良生物滞留系统水力性能的影响
植物对生物滞留系统渗透性能的影响取决于所使用的填料类型（Hua等人，2014年）。在本研究中，B2系统的平均渗透系数明显低于也种植了C. comosum的B3系统（图3a）。与B2系统中使用的河沙和壤土相比，添加到B3系统的颗粒状和层状牡蛎壳填料可以形成连续连接的孔结构，从而提高渗透性（Liu等人，
结论
基于以粉碎牡蛎壳为填料介质的改良生物滞留系统，本研究探讨了植物对水力特性和污染物去除性能的影响。主要结论如下：
(1)牡蛎壳填料促进了植物的生长。在添加了20%牡蛎壳颗粒的B3系统中，C. comosum在高度、平均叶片长度和总生物量方面表现出优于其他系统的性能。
(2)C. comosum和
CRediT作者贡献声明
罗月：撰写——原始草稿，可视化，正式分析，数据管理。傅腾飞：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。董彦格：验证，调查。孙晓晓：调查。韩洋洋：调查。刘春静：撰写——原始草稿，方法论，调查，正式分析。谢文霞：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2022YFC3104202）、海水入侵与土壤盐碱化观测与研究站的开放研究基金（莱州湾，自然资源部，编号2025LZORS003）以及中国山东省的关键研发计划（编号2023TZXD048）的支持。
