在抗生素压力下，添加蚯蚓的SWIS系统：对水质净化和温室气体排放的影响

《Process Safety and Environmental Protection》：Earthworm-enhanced SWIS under antibiotic stress: Impacts on water purification and GHG emissions

本研究通过12个模拟地下渗滤系统（SWIS）的对比实验，探讨蚯蚓与抗生素的协同效应。结果表明蚯蚓存在时抗生素可降低出水NH4+-N和TP浓度达19%，但未影响GHG排放总量，可能与优势菌群Proteobacteria和Nitrospira的代谢活动相关。蚯蚓通过改善土壤结构和微生物群落增强了水处理效率，并有效抑制了抗生素引起的温室气体排放增加。研究为抗生素存在下的生态渗滤系统优化提供了理论依据。

　　

张正伟|韩文娟|郑家敏|陈伟杰|赵敏|藤井忠之|郑向勇

浙江温州大学生命与环境科学学院，中国浙江省温州325035

摘要

污水中的抗生素对生态系统构成重大威胁，而蚯蚓则作为关键的生态系统工程师发挥着重要作用。然而，它们在地下废水渗透系统（SWIS）中对水质净化和温室气体（GHG）排放的综合影响仍不甚明了。本研究建立了12个模拟SWIS，进行了一项包含抗生素存在与否以及蚯蚓参与与否的双因素实验，测量了出水污染物浓度、温室气体排放量以及微生物群落结构。结果表明，在有蚯蚓的SWIS中，抗生素不仅降低了NH₄⁺-N和TP的浓度，还使NO₃^--N的浓度降低了19.0%。在这些系统中，抗生素并未影响温室气体排放量、全球变暖潜能值（GWP）或每单位氮去除量的温室气体排放量。此外，在同时存在蚯蚓和抗生素的SWIS中，Proteobacteria和Nitrospirota的高相对丰度可能通过微生物硝化作用和反硝化作用影响出水质量及温室气体排放。总体而言，这些结果表明将蚯蚓引入SWIS是一种实用且低成本的策略，有助于提升废水处理效果并控制抗生素压力下的温室气体排放。

引言

全球气候变化对可持续发展构成了重大挑战，工业、交通等领域的温室气体排放加剧了这一危机（Su等人，2025年；Zhou等人，2024年）。农村生活污水由于排放量大且管理不善，已成为一个被忽视的温室气体排放热点。在分散式处理技术中，地下废水渗透系统（SWIS）因其高去除效率、低生命周期成本和生态效益而得到广泛应用（Li等人，2024a）。然而，传统的SWIS仍会释放大量温室气体。推进下一代SWIS的发展需要平衡污染物去除与碳减排，以实现全球气候目标并保护人类健康。

先前的研究表明，通过改良土壤基质可以提升SWIS的水质净化效果（Liang等人，2019年；Zhou等人，2025年）。此外，优化操作参数（如水力负荷率、碳氮比和曝气技术）可以在改善污染物去除的同时影响温室气体排放（Kong等人，2016年；Li等人，2019年；Pang等人，2020年）。然而，这些优化策略通常涉及较高的运营和维护成本，并可能增加长期运行中的堵塞风险。

蚯蚓作为关键的生态系统工程师，通过摄食、生物扰动和生物累积作用改善土壤结构并调节碳氮循环（Xu等人，2013年）。先前的研究显示，将蚯蚓引入人工湿地可以有效缓解堵塞问题并提高氮去除效率，NH₄⁺-N和TN的去除效率分别可达93.1%和91.5%（Hu等人，2020年）。此外，蚯蚓可能通过呼吸作用直接影响温室气体排放，或通过改变土壤结构和微生物群落组成间接影响温室气体排放，从而可能减少温室气体排放（Liu等人，2024年；Zhao等人，2014年）。尽管有这些积极的结果，但蚯蚓在SWIS中调节污染物去除和温室气体排放的作用仍不够明确。

由于抗生素存在于生活污水、医疗废水等人造来源中，因此在SWIS中经常检测到其存在（Yu等人，2025年）。传统的废水处理系统往往无法完全去除抗生素，导致其广泛释放到陆地和水生环境中（Li等人，2024b）。在土壤中，抗生素会改变土壤微生物群落结构并抑制硝化和反硝化等关键微生物过程，从而降低SWIS的氮去除效率（Jiang等人，2022年；Li等人，2024b）。有趣的是，一些研究发现低浓度的抗生素可能刺激SWIS中的硝化活动（DeVries等人，2015年）。在人工湿地中，抗生素通过抑制参与硝化和反硝化的微生物活动或改变微生物代谢途径，导致N₂O排放增加（Chen等人，2025年）。此外，抗生素可能抑制甲烷氧化细菌的活性，减少CH?的消耗，从而增加CH?排放（Bollinger等人，2024年；Wu等人，2025年）。除了微生物过程外，抗生素还对土壤生物具有毒性，对蚯蚓具有细胞毒性和基因毒性，干扰其生理代谢和活动（?altauskait?等人，2025年）。尽管如此，抗生素在蚯蚓强化SWIS中影响污染物去除和温室气体排放的机制仍大多未被探索。

为应对这些挑战，本研究建立了12个SWIS微宇宙，并进行了控制性因子实验，以研究抗生素和蚯蚓的影响。测量了出水污染物浓度、温室气体排放量以及微生物群落结构。研究目的包括：（1）探讨抗生素和蚯蚓对SWIS中水质净化和温室气体排放的单独及交互作用；（2）阐明这些作用的潜在机制；（3）为在抗生素压力下提升水质净化效率和减少温室气体排放提供实用建议。

实验设计

本研究在中国浙江省温州市温州大学校园内的半开放式温室中进行（27°55′N, 120°41′E）。温室配备了半透明塑料屋顶，使环境光照和温度接近自然条件，同时防止降水影响实验设置。实验中构建了12个模拟SWIS微宇宙。

抗生素和蚯蚓对SWIS中出水污染物浓度的影响

双向方差分析（ANOVA）显示，蚯蚓和抗生素对出水NH₄⁺-N、NO₃^--N和TP存在显著交互作用（p<0.001，附表S2）。在没有抗生素处理的SWIS中，添加蚯蚓后，出水NO₃^--N浓度显著增加了61.9%（p<0.001），而NH₄⁺-N和TP浓度分别显著降低了65.0%（p<0.001）和64.9%（p<0.001）（图2a、b、d）。添加蚯蚓还

抗生素和蚯蚓对SWIS中出水污染物浓度的影响

反硝化是工程系统中减少NO₃^--N的关键生物途径（Zhou等人，2025年）。在本研究中，没有蚯蚓的情况下，抗生素暴露使出水NO₃^--N浓度显著增加了43.7%（图2b）。在之前的人工湿地研究中也观察到了类似的趋势，抗生素增加了出水NO₃^--N浓度（Liu等人，2020年）。这种增加可能归因于

结论

据我们所知，这是首次研究抗生素和蚯蚓对SWIS中水质净化和温室气体排放的综合影响。研究发现，抗生素通过改变微生物群落，降低了氮和磷的去除效率并增加了温室气体排放；而引入蚯蚓则改善了净化效果并减少了排放。由于本研究仅考察了一种抗生素类型和一种蚯蚓密度，未来的研究应

资助

本研究由中国国家重点研发计划[2022YFE0106200]资助。

作者贡献声明

藤井忠之：撰写 – 审稿与编辑。赵敏：撰写 – 审稿与编辑。陈伟杰：研究。郑家敏：撰写 – 审稿与编辑，研究。郑向勇：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。韩文娟：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。张正伟：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，研究，数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。