Tubifex tubifex 通过重塑微生物网络，减轻了人工湿地中氮去除过程中对抗生素的依赖性

《Journal of Environmental Sciences》：Tubifex tubifex reduces antibiotic stress on nitrogen removal in constructed wetlands by reshaping microbial networks

人工湿地中蚯蚓（Tubifex tubifex）通过重塑微生物网络增强氮去除能力，抵消抗生素负面影响。研究显示其使NH4+-N和NOx-N去除率分别提升16%和47%，改善溶解氧并减少沉积物氮积累。细菌（Burkholderiales等）和真菌（Sordariomycetes等）多样性及正互作关系增强，PLS-PM模型证实抗生素抑制细菌多样性，而蚯蚓通过提升微生物网络复杂度维持氮循环功能。

　　在现代污水处理技术中，人工湿地因其高效、经济、生态友好的特点，被广泛应用于去除水体中的氮（N）等污染物。然而，随着人类活动的增加，抗生素等药物污染物也越来越多地进入水体，对人工湿地的氮去除功能构成威胁。抗生素不仅会直接抑制微生物的活性，还可能通过改变微生物群落结构和功能，影响湿地系统的整体净化能力。因此，如何在抗生素污染背景下维持或提升人工湿地的氮去除效率，成为当前环境科学领域的重要研究方向。

本研究聚焦于一种常见的环节动物——**Tubifex tubifex**（涡虫）在抗生素胁迫下对氮去除过程的影响。涡虫在人工湿地中具有独特的生态功能，其通过生物扰动和摄食行为，能够促进氮循环相关微生物过程，如硝化作用、反硝化作用和厌氧氨氧化等。这些行为有助于形成更高效的氮去除路径，从而提升人工湿地的净化性能。然而，目前关于涡虫如何影响微生物群落结构及其在抗生素胁迫下的具体作用机制，仍缺乏深入研究。

在本实验中，研究人员构建了一个小型的饱和垂直流人工湿地（Saturated Vertical-Flow Constructed Wetlands, VF-CWs）系统，并设置了不同的处理单元，以评估涡虫对氮去除性能的提升效果。实验结果显示，在抗生素存在的情况下，氮去除效率显著下降，而加入涡虫的处理单元则表现出更强的氮去除能力。具体而言，涡虫处理单元的氨氮（NH??-N）和硝酸盐氮（NO??-N）去除率分别比抗生素处理单元提高了16%和47%。此外，涡虫的引入还改善了水体中的溶解氧水平，并减少了沉积物中氮的积累。这些发现表明，涡虫不仅能够直接促进氮的去除，还能通过调节湿地中的微生物群落，间接提升系统的净化能力。

微生物群落的结构和功能是人工湿地氮去除效率的关键因素。在抗生素胁迫下，微生物群落的多样性受到显著抑制，这可能导致某些关键功能微生物的减少，从而影响氮的转化过程。然而，涡虫的引入能够缓解这一负面效应。研究发现，在涡虫存在的情况下，与氮循环和污染物降解相关的细菌和真菌类群，如**Burkholderiales**、**Bacteroidota**、**Flavobacterium**、**Sordariomycetes**和**Plectosphaerellaceae**，其丰度显著增加。这表明涡虫能够创造有利于这些微生物生存和活动的微环境，从而促进氮的去除过程。

进一步的细菌-真菌共现网络分析显示，涡虫的引入显著增强了微生物之间的相互作用。在抗生素胁迫下，网络中的边数（即微生物之间的相互作用数量）增加了275%，正向连接的比例也提高了48%。这一结果揭示了涡虫在促进微生物协同作用方面的重要作用，尤其是在抗生素抑制了部分微生物功能的情况下。通过增强微生物之间的正向互作，涡虫有助于维持和恢复湿地系统的氮去除能力，从而提高其在污染环境中的适应性和稳定性。

从生态学角度来看，涡虫被认为是长期的生态系统工程师。它们能够持续地改变沉积物结构、营养循环和微生物群落，这种长期的生态影响使其在人工湿地中具有独特的价值。涡虫的耐受性也使其能够在低氧、高污染等不利条件下保持其生态功能，这为其在污水处理中的应用提供了理论依据。此外，涡虫的生存能力使其能够在不同的环境条件下维持其对微生物群落的调节作用，从而确保氮去除过程的持续进行。

在人工湿地的微生物群落中，细菌和真菌的相互作用对氮循环具有重要意义。细菌主要参与硝化作用和反硝化作用，而真菌则在有机物分解和氮的转化过程中发挥重要作用。在抗生素胁迫下，细菌群落的多样性受到更大影响，而真菌群落则相对稳定。这种差异可能与两种微生物的生理特性和适应策略有关。例如，细菌通常对环境变化更为敏感，而真菌可能具有更强的耐受性。因此，在抗生素污染的环境中，真菌可能在维持氮去除功能方面起到更为关键的作用。

本研究的另一个重要发现是，涡虫能够通过调节微生物网络的结构和功能，增强人工湿地在抗生素胁迫下的氮去除能力。这种调节作用不仅体现在微生物群落的多样性提升上，还体现在微生物之间的协同作用增强。例如，涡虫的引入能够促进某些关键功能微生物的增殖，同时减少其他可能抑制氮去除的微生物种群。这种选择性调节有助于优化微生物群落的组成，使其更适应污染环境，从而提高系统的净化效率。

为了验证涡虫对氮去除性能的提升效果，研究人员设计了多个实验处理组，包括纯抗生素处理、涡虫处理以及两者共同作用的处理。实验结果表明，纯抗生素处理组的氮去除性能最差，而涡虫处理组的氮去除性能最好。这种差异可能与涡虫对微生物群落的调节作用密切相关。涡虫通过其生物扰动行为，能够改善沉积物的通气性和营养物质的分布，从而为微生物提供更适宜的生存环境。此外，涡虫的摄食行为可能有助于清除部分污染物，从而减少其对微生物的抑制作用。

在人工湿地系统中，不同的生态位对微生物群落的形成和功能具有重要影响。例如，沉积物和根系区（rhizosphere）通常支持不同的微生物群落结构。沉积物中的微生物主要参与氮的沉积和转化，而根系区的微生物则与植物的生理活动密切相关。因此，研究涡虫对这些不同生态位中微生物群落的影响，有助于全面理解其在氮去除过程中的作用机制。实验中，研究人员特别关注了涡虫对沉积物和根系区微生物群落的影响，发现涡虫能够显著改善沉积物中的氮去除效率，并增强根系区微生物的活性。

本研究还探讨了涡虫在抗生素污染背景下的生态适应性。实验表明，涡虫能够在低氧和高污染的条件下保持其生态功能，这使其成为人工湿地中应对抗生素胁迫的理想生物调控因子。此外，涡虫的长期活动使其能够持续地影响微生物群落的结构和功能，这种持续的生态工程作用对于维持人工湿地的长期稳定性和净化能力具有重要意义。

综上所述，本研究揭示了涡虫在人工湿地氮去除过程中的关键作用。通过调节微生物群落的结构和功能，涡虫能够有效缓解抗生素对氮去除效率的抑制作用。这一发现不仅为人工湿地在抗生素污染环境下的应用提供了新的思路，也为微生物群落调控技术的发展提供了理论支持。未来的研究可以进一步探讨涡虫在不同污染条件下的生态适应机制，以及其在实际污水处理系统中的应用潜力。通过深入理解涡虫与微生物之间的相互作用，可以更好地优化人工湿地的设计和运行，提高其在复杂环境条件下的净化能力。