梯度磁场耦合垂直流人工湿地强化污水处理效能及微生物群落动态机制

针对人工湿地(CWs)污染物去除率低且不稳定的关键难题，研究人员创新性地将梯度磁场(MF)与垂直流人工湿地(VFCWs)耦合，开发出MF-CWs系统。研究表明，MF-CWs对NH4+-N、TP和COD的去除效率显著优于传统CWs，并通过重塑微生物群落（提升α多样性、富集Pseudomonadota等功能菌群）和激活碳氮代谢通路（如好氧化能异养、硝酸盐还原），为生态污水处理技术提供了新范式。

　　

随着全球工业化加速和水资源需求激增，水污染与富营养化问题日益严峻。人工湿地(CWs)作为一种生态友好的污水处理技术，虽具有成本低、能耗少的优势，但其核心瓶颈——污染物去除效率低且不稳定（尤其是对生活污水中的NH₄⁺-N、TP和COD）始终未能突破。现有强化手段如人工曝气、碳源补充等，或增加能耗，或引发二次污染。在此背景下，云南省科技厅重点项目的支持下，研究人员创新性地将梯度磁场(MF)与垂直流人工湿地(VFCWs)整合，开发出MF-CWs系统，并深入解析其微生物驱动机制。

研究采用梯度MF强度(10-50 mT)的MF-CWs与常规CWs对照，结合高通量测序、共现网络分析和FAPROTAX功能预测等技术。通过监测进出水污染物浓度、微生物群落结构及功能基因，系统评估了MF对污水处理效能和微生物生态的影响。

设计实验反应器
构建65 cm×65 cm×90 cm的MF-CWs与C-CWs，通过高斯计精确控制磁场强度。实验证实10-50 mT磁场对污水处理具有生态效应。

整体处理性能
MF-CWs对所有目标污染物均表现出稳定高效的去除能力。当进水COD<200 mg L^?1时，50 mT组 effluent COD降至27 mg L^?1；NH₄⁺-N去除率与MF强度呈正相关，30 mT组达峰值；TP去除则呈现"低强度促进、高强度抑制"的双相效应。

微生物群落动态
MF显著改变了微生物α/β多样性，其中α多样性与污染物去除效率强相关。四大核心菌门Pseudomonadota（主导有机降解）、Chloroflexota、Bacteroidota和Acidobacteriota的丰度直接关联净化效能提升。共现网络揭示MF塑造了更紧密的微生物互作网络，关键类群（如硝化菌Nitrosomonas）成为网络枢纽。

功能通路解析
FAPROTAX预测显示，MF选择性地激活了碳代谢（化能异养、好氧化能异养）和氮循环（硝酸盐还原、氮呼吸）通路。值得注意的是，40-50 mT富集碳代谢菌，而10-20 mT更利于氮循环菌群增殖，表明MF强度驱动微生物功能分化。

该研究不仅开发出新型MF-CWs系统，更从微生物生态学角度揭示了磁场强化的多重机制：通过调控群落结构、优化功能菌群比例、激活代谢通路，实现"物化-生物"协同增效。这一发现为生态污水处理技术提供了新思路——利用物理场精准调控微生物功能，避免传统强化手段的副作用。未来研究可进一步探索MF与其他环境因子的交互作用，推动该技术向工程化应用迈进。