仿生微曝气协同人工水草与苦草强化处理含磺胺甲恶唑富营养化水体的效能与机制

针对富营养化水体中磺胺甲恶唑（SMX）污染难题，研究人员创新性采用仿生微曝气（Bma）联合人工水草（A）或苦草（V. natans）的生物修复策略。实验证明Bma.v和Bma.a组对NH3-N、TN、TP、COD及SMX的去除率显著提升（第10天SMX去除率达65.56%和75.18%），其生物膜微生物α多样性更高且功能菌群丰度与污染物降解呈正相关。该研究为抗生素污染水体治理提供了高效低耗的生态工程方案。

　　

论文解读

抗生素污染已成为全球水环境治理的棘手问题。磺胺甲恶唑（SMX）作为廉价广谱的磺胺类抗生素，在养殖业和医疗领域大量使用后，通过排泄物和污水进入水体，在河流、湖泊中检出率超80%，部分区域浓度高达2.39 mg/L。更严峻的是，这些水体往往伴随富营养化，低溶解氧（DO）环境不仅抑制沉水植物生长，还削弱传统修复技术的效能。物理化学方法易产生二次污染，而人工湿地成本高昂。如何实现高效、低耗、生态友好的SMX污染治理，成为环境领域亟待突破的瓶颈。

山东省重点研发计划支持的研究团队在《Ecological Frontiers》发表成果，提出仿生微曝气（Bionic micro-aeration, Bma）协同人工水草或苦草（Vallisneria natans）的创新组合工艺。该技术模拟沉水植物光合释氧特性，通过微孔曝气器持续释放微小气泡，能耗仅为传统曝气的1/3，且避免扰动底泥。研究设置Bma、人工水草（A）、Bma+苦草（Bma.v）、Bma+人工水草（Bma.a）及空白对照（CK）五组，通过10天实验监测污染物去除率、DO/pH动态及生物膜微生物群落变化。

关键方法

1. 仿生微曝气系统：改进Yang等设计的装置，集成空气压缩机、稳压阀和微孔曝气器，维持恒定0.15 L/min曝气量；
2. 人工水草模块：聚丙烯材质，比表面积达380 m²/m³；
3. 水质分析：采用国标法测定NH₃-N、TN、TP、COD及SMX浓度（HPLC-MS/MS检测限0.01 μg/L）；
4. 微生物组学：Illumina高通量测序分析生物膜16S rRNA基因，计算Chao1/Shannon/Simpson指数和独特ASVs（Amplicon Sequence Variants）。

研究结果

DO与pH动态
初始DO均值2.87 mg/L，CK组第2天骤降至0.5 mg/L以下，而Bma组稳定在3.5-4.2 mg/L。Bma.v和Bma.a组因植物-微生物协同作用，DO始终高于3.0 mg/L，pH维持在7.2-7.8的适宜范围。

污染物去除效能
Bma.v和Bma.a组表现最优：

• SMX去除率第10天分别达65.56%和75.18%，显著高于Bma组（52.3%）和A组（41.7%）；
• TN去除率超70%，TP达68%-72%，COD去除较CK提升2.3倍；
• NH₃-N降解符合一级动力学模型，Bma.a组速率常数k比CK高187%。

微生物群落特征

• α多样性：Bma.v和Bma.a组Chao1指数（反映物种总数）较CK高34%-48%，Shannon指数（物种均匀度）提升29%-33%；
• 功能菌群：变形菌门（Proteobacteria）占比超50%，其中SMX降解相关菌属（如Rhodocyclaceae、Sphingomonadaceae）在Bma.a组相对丰度达12.7%，与SMX去除率呈显著正相关（R²>0.82）。

结论与意义
该研究证实仿生微曝气通过维持DO水平，激活人工水草/苦草生物膜中功能微生物（如硝化螺旋菌Nitrospira和SMX降解菌Pseudomonas），形成"物理吸附-生物降解-植物吸收"协同机制。Bma.a组因人工水草超大比表面积，微生物负载量较天然植物提升40%，更适合DO匮乏水体；而Bma.v组在长期运行中可能展现生态稳定性优势。成果为富营养化-抗生素复合污染治理提供了可规模化应用的解决方案，其低能耗（<30 W/m³）、无二次污染的特点，尤其适用于养殖尾水和城市景观水体修复。未来研究可进一步优化曝气-植物配置参数，并考察抗性基因（ARGs）的消减规律。