垂直流人工湿地的多参数优化：以增强基质、植物和微生物之间的协同作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Multi-Parameter Optimization of Vertical Flow Constructed Wetlands to Enhance Synergistic Action Among Substrate, Plants, and Microorganisms

水产养殖废水中垂直流人工湿地系统优化及微生物机制研究。通过调控基质配比（zeolite:ceramsite:biochar=1:1:2）、植物生物量（CdL 5.2 kg/m2，ItM 9.75 kg/m2，CiR 8 kg/m2）和水力停留时间（16h），实现氮磷及重金属的高效同步去除。微生物分析显示Proteobacteria占主导，CdL根际Pseudomonas富集促进重金属去除，CiR/ItM根际Acinetobacter增强磷固定。网络分析表明ItM根系及底泥生态位复杂度高，植物选择调控微生物网络稳定性，根际分泌物可能为反硝化提供碳源。

　　

董浩军|王可可|王光军|龚旺宝|李志飞|夏云|谢文平|田静静|李红艳|谢军|张凯

农业农村部热带与亚热带渔业资源应用与养殖重点实验室；中国水产科学院珠江渔业研究所，广州510380，中国

摘要

水产养殖废水富含营养物质和重金属，对环境构成重大威胁。虽然人工湿地（CWs）可以通过基质-植物-微生物之间的协同作用同时去除多种污染物，但其效果严重依赖于这些组分的配置。使用混合基质和植物的系统是一种有前景但尚未充分研究的配置方式。因此，本研究系统地优化了垂直流人工湿地的关键参数，包括基质比例（沸石：陶粒：椰壳生物炭）、植物生物量负荷（Ceratophyllum demersum L. (CdL)、Iris tectorum Maxim. (ItM)、Cyperus alternifolius L. (CiR)）和水力停留时间（HRT），以最大化营养物质和重金属的去除效率。结果表明，在以下条件下可实现有效修复：基质比例为沸石：陶粒：椰壳生物炭 = 1:1:2；植物鲜重负荷分别为CdL 5.2 kg/m2、ItM 9.75 kg/m2和CiR 8 kg/m2；水力停留时间为16小时。微生物分析显示，Proteobacteria在根际、上清液（Sup）和底泥（Bs）中占主导地位。在CiR/ItM根系中富集了磷积累的Acinetobacter物种，而在CdL根系中则以反硝化Pseudomonas物种为主，有助于重金属的去除。网络分析表明ItM根系和底泥的微生物网络复杂性高于CdL/CiR/Sup，表明它们之间存在功能互补性。植物选择调节了微生物网络的复杂性和稳定性。PICRUSt2分析表明，根系分泌物有助于代谢产物的稳定性，可能为反硝化过程提供碳源。对优化后的基质-植物配置的评估显示污染物去除效果有所改善，证明了其在水产养殖废水处理中的潜力。

引言

全球水产养殖业的迅速扩张，人均水产品消费量从1961年的9.1公斤增加到2022年的20.7公斤，凸显了其在食品安全中的关键作用[1]。然而，这种集约化生产通常需要大量饲料和肥料，其中只有不到30%被养殖物种吸收，导致富含营养物质（氮、磷）和重金属的废水排放[2]。如果未经处理，这些废水会加剧富营养化，并由于污染物的迁移和生物放大作用对生态系统和人类健康构成风险[3][4][5]。因此，开发高效可持续的水产养殖废水处理技术至关重要。

人工湿地作为一种模拟自然湿地过程的环境技术，已成为废水处理的有希望的方法。与传统方法不同，传统方法往往针对特定污染物，且运营成本较高或可能产生二次污染[6]，而人工湿地利用基质、植物和微生物之间的协同作用，同时去除多种污染物，包括营养物质、重金属和药物[7][8][9][10]。人工湿地的性能高度依赖于这些核心组分的配置。基质不仅提供物理支撑，还是污染物吸附和微生物附着的关键介质；陶粒、沸石和椰壳生物炭在成本、铵亲和力和表面积方面具有明显优势[11][12][13]。同样，水生植物的选择也很重要，它们通过直接吸收、根际充氧和塑造微生物群落来促进净化[14][15][16]。此外，水力停留时间（HRT）是一个关键的操作参数，直接影响污染物与处理组分的接触时间，从而影响微生物活性和整体去除效率[17]。

尽管这些基质和植物的单独能力已被认可，但传统的人工湿地配置往往存在局限性，特别是在去除磷和多种重金属方面效果不佳[18]。最近的研究强调，人工湿地的效果不仅取决于各个组分的总和，还取决于基质、植物和微生物之间复杂的三元协同作用[19][20][21][22]。基质为微生物定殖提供栖息地[20]，而植物释放的根系分泌物选择性地富集了负责养分循环和金属固定的特定微生物群落[21][22]。HRT决定了这些微生物群落的稳定性和发展[23]。因此，优化人工湿地需要综合考虑这些因素的相互作用。然而，在使用混合基质和植物处理水产养殖废水的垂直流人工湿地方面，系统多参数优化仍存在显著的研究空白，对在这种优化条件下驱动营养物质和重金属同时去除的微生物机制的全面理解仍不清楚。

为解决这一关键知识空白，本研究旨在系统地研究垂直流人工湿地的水产养殖废水处理的多参数优化。具体而言，本研究重点确定基质比例（沸石：陶粒：椰壳生物炭）、植物生物量负荷（对于CdL、ItM和CiR）以及HRT的最佳配置，以增强这些关键组分之间的协同作用。此外，还探讨了这种优化配置如何影响微生物群落结构和功能潜力，从而为增强污染物去除过程提供机制性见解。本研究的结果有望为通过综合优化基质、植物和微生物组分来设计更高效和可持续的人工湿地奠定理论基础。

部分摘录

材料

实验用沸石（粒径4–6毫米，孔隙率53.14%）和陶粒（粒径2–4毫米，孔隙率48.13%）由四川Grace Environmental Technology Co., Ltd.提供；椰壳生物炭（粒径0.5–1毫米，孔隙率78.13%）由广东华岩活性炭有限公司提供（详细参数见补充表1）。CdL来自芳村花卉、鸟类、鱼类和昆虫市场；ItM和CiR由汉潮环境保护公司采购

基质

图1展示了基质比例对营养物质去除性能的影响。除了NO??-N外，实验组和对照组在NO??-N、NH??-N、TN、PO?3?-P和TP方面存在显著差异（p < 0.05）。进水中的NH??-N初始浓度为0.7 mg/L，实验组经过10天的处理后浓度显著降低。对照组（无基质）的去除率为25.34%，而添加基质的实验组

结论

本研究调查了采用混合基质和植物配置的人工湿地系统中微生物群落结构及其在营养物质和重金属去除中的作用。结果表明，在基质比例为沸石：陶粒：椰壳生物炭 = 1:1:2、植物鲜重负荷分别为CdL 5.2 kg/m2、ItM 9.75 kg/m2和CiR 8 kg/m2的条件下，系统实现了良好的营养物质和重金属去除效率。当HRT为16小时时

CRediT作者贡献声明

谢文平：研究工作。田静静：研究工作。夏云：研究工作。王可可：撰写——初稿，数据管理，概念构思。王光军：研究工作。龚旺宝：研究工作，资金获取。李志飞：研究工作。李红艳：研究工作。谢军：监督，研究工作，资金获取。张凯：撰写——审稿与编辑，验证，监督，项目管理，研究工作，资金获取。董浩军：撰写——初稿

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD2400504）、国家自然科学基金（42077453）、广东省现代农业产业技术创新团队专项基金（2024CXTD26）和中央公益性科学事业单位基础研究基金（2023TD62）的支持。感谢贾丽娟、蒋俊贤、李坤和刘雅蓉在本研究中的帮助。