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本研究通过360天管虫增强的湿地微宇宙实验结合机器学习分析，揭示了50 μm聚苯乙烯微塑料对湿地系统氮去除能力的影响机制。结果表明，管虫的生物扰动重塑微环境，促进耐污功能菌群富集，使高浓度（1000 μg/L）下总氮去除率仍达82%以上，显著优于对照组的60%。随机森林模型（R2=0.92）有效预测了系统可持续性，为应对微塑料污染的湿地设计提供了新范式。
马胜军|杨 Genji|赵新月|郭梦然|王云楠|杨金毅|郝奇瑞
中国东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030
摘要
微塑料（MPs）的广泛渗透正在削弱基于自然的治疗系统的净化能力，然而大多数现有研究仅限于短期观察，无法揭示长期的生态动态。为了解决这一不足，本研究将一个为期360天的、添加了 Tubifex 蠕虫的湿地微宇宙与先进的机器学习分析相结合，以揭示生态系统对 50 μm 聚苯乙烯微塑料（浓度为 100 和 1000 μg/L）的抵抗力机制。与传统系统中通常观察到的功能下降不同，这种增强了生物扰动的系统表现出卓越的稳态调节能力，在高负荷微塑料压力下仍能保持高氮去除效率，总氮去除率超过 82%，显著高于对照组约 60% 的去除率。机制分析表明，Tubifex 蠕虫通过重塑微环境生态位来减轻污染物毒性，从而促进耐受性功能群的选择性招募和富集，恢复整体代谢能力。此外，随机森林模型有效弥合了生态监测中的时间差距，使得基于有限数据集的可持续性预测具有高准确性（测试集 R2 = 0.92）。这些发现共同建立了一种新的动物-微生物协同作用范式，并为在塑料圈时代设计具有抵抗力的废水处理基础设施提供了稳健的数据驱动框架。
引言
微塑料（MPs）作为全球关注的新兴污染物[1]，[2]，由于其微小颗粒尺寸、环境持久性和生物累积潜力[3]，对水生生态系统构成严重威胁。MPs 通常分为初级微塑料（如颗粒和微珠）和次级微塑料（由较大塑料碎片分解而来）。全球 MPs 的排放量估计每年超过 10,000 公吨，其中农业塑料薄膜是主要来源之一[4]。如果这些薄膜使用后管理不当，它们可能通过地表径流、灌溉回流和其他水文途径进入人工湿地（CWs）。在人工湿地中，它们会经历物理磨损、光化学老化和生物降解，逐渐分解为次级微塑料[5]。这些输入和转化过程导致废水处理系统中的 MPs 浓度存在很大差异，根据处理阶段和进水类型的不同，报告的浓度范围从低微克到高毫克/升不等[6]。因此，作为基于自然系统的废水处理方式，人工湿地越来越容易受到 MPs 污染。越来越多的证据表明，MPs 可以损害湿地植物的根系形态和生理功能，重塑微生物群落结构，并干扰关键的氮转化途径[7]，[8]。具体来说，机制研究表明，MPs 主要通过抑制氨单加氧酶（amoA）基因的表达来阻碍硝化作用，并通过干扰电子供体的可用性来抑制反硝化作用[9]。这些综合效应最终可能导致人工湿地中的氮去除效率显著下降[10]，[11]，[12]。
为了减轻人工湿地中的 MPs 污染，生物刺激策略是一种有前景的方法。Tubifex 蠕虫是人工湿地沉积物中常见的底栖寡毛类动物，它们充当重要的“生态系统工程师”[13]，[14]。通过生物扰动，它们增强了水-沉积物界面的溶质交换和氧气传递，扩大了好氧-厌氧微区，并优化了微生物群落的空间分布和代谢活动[15]。此外，Tubifex 拥有多种酶系统，并具有专门的肠道微生物组，具有转化和降解 MPs 的巨大潜力。先前的研究表明，Tubifex 通过其肠道微生物群与其宿主代谢之间的协同作用，可以将 MPs 转化为危害较小的小分子，同时将不溶性有机碳转化为更易被利用的形式[16]。这一过程增加了反硝化细菌的电子供体供应，从而显著提高了人工湿地的氮去除性能。
然而，目前的理解仍受到几个关键知识空白的限制。首先，大多数现有研究仍然集中在简化的、二元的污染物-生物体相互作用上，仅记录了 MPs 对 Tubifex 的毒性作用或其降解能力，而忽略了人工湿地-Tubifex 复合体作为一个完整的生态单元[17]。因此，MPs 暴露的长期生态后果仍然知之甚少，特别是在生态系统层面的响应、功能韧性和在持续 MPs 压力下的适应机制方面。此外，以往的研究大多是短期暴露实验，不足以捕捉微生物群落演替的时间动态或可靠预测人工湿地在长时间运行下的功能可持续性[18]。
为了解决这些研究空白，本研究将人工湿地和 Tubifex 结合成一个协同实验生态系统。利用结合高分辨率微生物群落分析、机器学习、网络分析和结构方程建模方法的跨学科框架，我们系统评估了聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）对这一耦合系统的长期生态影响。与经常简化复杂生物相互作用的传统确定性模型不同，最近的进展表明，机器学习方法在解耦非线性关系和预测波动环境压力下的系统行为方面具有更强的能力[19]，[20]。因此，将机器学习与实证数据相结合对于弥合实验室发现与实际风险评估之间的差距至关重要[21]，[22]。具体目标包括：（1）定量阐明 PS-MPs 压力下微生物群落组成的变化及其潜在的功能特征；（2）量化 PS-MPs 浓度与微生物介导的氮去除性能之间的剂量-反应关系；（3）利用 360 天的监测数据集构建基于机器学习的框架，通过随机森林算法识别氮去除的关键预测因子并预测系统的未来状态。这种综合方法有望加深对湿地生态系统对 MPs 污染响应的机制理解，为生物刺激和生物强化策略提供理论基础，并支持 MPs 影响环境中的定量风险评估，同时为废水处理、微生物生态学和环境工程提供科学和实际进展。
部分摘录
Tubifex 的准备
从中国黑龙江省哈尔滨的一个园艺市场购买了长度为 15-20 mm、直径约为 0.5 mm 的 Tubifex 标本。在实验使用之前，这些标本在符合后续实验条件的受控实验室环境中进行了两周的适应期[23]，[24]。适应期结束后，Tubifex 经过多次冲洗处理，然后准备引入人工湿地系统。
添加了 Tubifex 的人工湿地在 MPs 压力下保持处理性能
为了研究 PS-MPs 压力对人工湿地处理性能的影响，进行了一项为期一年的模拟实验，比较了添加了 Tubifex 的系统和未添加 Tubifex 的系统（图 1）。PS-MPs 的暴露导致未添加 Tubifex 的人工湿地（H3、H4）中的污染物去除率明显下降，且这种下降与浓度相关。在 100 μg/L 的 PS-MPs 压力下，COD、NO??-N、NH??-N 和 TN 的平均去除率分别为 63.7% ± 2.1%、60.8% ± 2.5%、62.3% ± 3.0% 和 65.7% ± 2.1%。当 PS-MPs 浓度
结论
通过将长期微宇宙模拟与机器学习分析相结合，本研究揭示了添加了 Tubifex 的人工湿地在持续 MP 压力下的生态抵抗力背后的复杂机制。我们证明了生物扰动引起的生态位优化通过从根本上重塑微生物共存网络并促进关键氮循环菌类（特别是 Nitrosospira）的富集来减轻 MP 毒性。这种生物强化作用具有协同效应
环境意义
本研究探讨了人工湿地对微塑料压力的脆弱性。通过引入 Tubifex 驱动的生物扰动，我们利用生物活动重塑了动态过程，有效抵消了毒性的抑制作用。这创造了高度的代谢可塑性，使得标准系统无法实现的营养去除成为可能。我们的结果得到了机器学习的验证，为开发适应性强的自调节基础设施提供了关键的设计标准。
CRediT 作者贡献声明
赵新月：写作 – 审稿与编辑、资金获取、数据管理、概念构思。杨 Genji：方法学、调查。马胜军：写作 – 原稿撰写、方法学、调查、正式分析、数据管理。郝奇瑞：写作 – 审稿与编辑、概念构思。杨金毅：方法学、调查。王云楠：方法学、调查。郭梦然：方法学、调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号 42577095）和黑龙江省自然科学基金（YQ2024D001）的支持。
