综述：金属的发育毒性：三十年来对机制、表观遗传学和跨代遗传的认知

《Environmental Research》：Developmental Toxicity of Metals: Three Decades of Insights into Mechanisms, Epigenetics, and Transgenerational Inheritance

本研究开发了一种藻菌絮体与功能填料协同的复合湿地系统，对比连续与间歇曝气模式对处理农村污水的影响。结果表明间歇曝气（CEWs-I）最优，COD、TN、TP去除率达83.65%、82.91%、91.71%，满足一级A排放标准，且生物膜量及微生物多样性显著提升，验证了协同净化机制。

　　

张可佳|王文怀|郭炳旭|刘博文|史伟毅|吴林远|田青远

新疆石河子大学水利与建筑工程学院，新疆石河子832000，中国

摘要：

本研究开发了一种结合了藻菌絮体和功能填料的复合湿地，并研究了曝气方式对其处理实际农村污水性能的影响以及不同净化途径之间的协同机制。与单一增强系统相比，复合湿地显著提高了有机物、氮和磷的去除效果。虽然适度曝气可以促进藻菌絮体的增殖，但连续曝气造成的水力扰动容易导致生物膜脱落。相比之下，间歇曝气创造了交替的好氧-缺氧-厌氧条件，促进了硝化、反硝化和生物除磷的同时进行。结果表明，间歇曝气下的复合湿地（CEWs-I）表现出最佳且最稳定的净化效率。其COD、TN和TP的平均去除率分别达到83.65%、82.91%和91.71%，出水浓度始终低于30.0 mg L^?1、7.0 mg L^?1和0.35 mg L^?1，符合一级排放标准。微生物分析显示，CEWs-I具有最大的生物膜生物量、最高的微生物多样性以及功能细菌和本地藻类的平衡群落。本研究表明，在优化的间歇曝气条件下，本地藻菌絮体与功能填料的协同整合为分散式废水处理提供了一种高效且稳定的解决方案。

引言

随着全球环境问题的加剧，水污染已成为一个亟待解决的关键问题。未经处理或处理不当的废水不仅影响水生生态系统，还可能对人类生活和健康构成威胁。与城市废水处理相比，农村污水的处理率相对较低，且不发达的污水收集系统限制了集中处理工艺的应用（Cao等人，2022年）。因此，迫切需要开发一种简单、高效、经济且集成的处理技术。与产生恶臭气体和导致管道堵塞的沼气消化器不同，生物过滤器占用较大空间且滤料容易堵塞；氧化塘性能较差，通常还会滋生蚊子和苍蝇（Ma等人，2022a年）。由于建设及运营成本低、维护简单、无需添加化学药剂以及具有显著的生态和环境效益，人工湿地在农村污水处理中逐渐受到关注和应用（Yan等人，2023年）。

人工湿地通过填料过滤和吸附、微生物的吸收转化以及植物的吸收来去除废水中的有机物、氮和磷（Ma等人，2020年）。为了提高湿地净化效果，研究人员在湿地建设方面进行了多种尝试并取得了有益成果。文献综述表明，可行的增强方法主要集中在引入具有强吸附性能的功能填料、富集能够高效转化和降解污染物的功能细菌以及补充碳源以促进反硝化。例如，在湿地建设中添加海绵铁可以降低出水中的磷浓度（Hou等人，2023年）。接种部分硝化-反硝化细菌可以增强废水中氮的去除，总氮（TN）、氨氮（NH₄⁺-N）和亚硝酸氮（NO₃^?-N）的去除率分别可提高至70.33%、92.61%和97.58%（Zhang等人，2023年）。引入硫铁矿可以增强硝酸盐自养反硝化作用，并弥补因碳源不足导致的反硝化性能下降（Wang等人，2023a年）。这些方法确实在一定程度上提高了湿地的净化效果。然而，单一策略的增强往往在效率和稳定性方面存在局限性。具体而言，功能填料的成本相对较高，且使用一段时间后填料的吸附饱和度会直接影响净化效率。相比之下，功能细菌可以通过微生物代谢有效且持久地净化废水。然而，微生物增强的环境适应性通常较低，可能导致现场应用中的性能不稳定（Bian等人，2025年）。因此，将复合填料和功能细菌同时引入湿地以协同增强湿地性能在理论上是可行的。

为了提高生物作用和净化效果的稳定性，研究人员提出了一种基于传统功能细菌增强的新型方法，利用藻菌共生来增强污水处理。藻类通过光合作用利用废水中的二氧化碳、氨氮和磷酸盐合成细胞物质，同时释放氧气（Mao等人，2021年）。好氧细菌利用氧气降解有机物并产生二氧化碳。这种先进的废水处理是通过藻类和细菌之间的生理协同作用实现的。然而，关于使用藻菌共生系统进行废水处理的研究主要局限于序批反应器（SBR）、生物流化床和微生物燃料电池等技术中的应用，很少有关于将其引入人工湿地的报道（Saba等人，2017年；Ye等人，2018年）。最近的一项综述也指出，将强大的复杂藻菌联合体整合到人工湿地中仍然是先进和稳定去除营养物质的未探索领域（Wu等人，2025年）。除了优化湿地建设外，大量研究表明，引入曝气可以显著提高湿地的净化效果。因此，曝气已成为湿地运营和管理中的常见措施，尤其是在低温条件下。曝气方式可分为连续曝气和间歇曝气。连续曝气可以为好氧微生物持续提供氧气，但由于气泡扩散可能会影响过滤效果，并抑制反硝化过程，从而降低氮的去除率。相比之下，间歇曝气可以通过形成好氧-缺氧-厌氧交替的氧气环境，同时去除废水中的有机物、氮、磷等污染物。然而，关于曝气方式对藻菌共生系统处理污水效果的影响仍存在争议。Huang等人发现，连续曝气可以提高废水中有机物的生物降解性和好氧细菌的活性，从而改善藻菌共生系统的净化效果（Huang等人，2023年）。Tang等人指出，间歇曝气可以减少水力扰动，促进藻类和细菌之间生物絮体的形成，从而将NH₄⁺-N、TN和总磷（TP）的去除率分别提高18.90%、12.45%和46.66%（Tang等人，2016年）。尽管将间歇曝气引入传统湿地可以通过创造交替的氧气环境来提高其净化效果，但目前尚不清楚哪种曝气方式更适合具有藻菌共生系统的复合湿地。此外，由于实验室环境和实际环境之间存在显著差异，实验室培养的藻菌共生系统的单一群落组成适应性较低。因此，为了克服单一增强策略的局限性并优化藻菌-填料复合系统的运行，本研究旨在解决两个相互关联的核心问题：（1）结合天然藻菌絮体与功能填料是否可以构建更稳定和高效的复合湿地系统；（2）哪种曝气方式更有效地调节微生物过程，以实现氮和磷的协同去除。

基于上述问题，本研究将功能填料与从实际湿地收集的藻菌絮体同时引入传统湿地，构建了复合增强湿地（CEWs）。首先，通过比较不同湿地的净化效果优化了湿地建设。同时，通过分析CEWs在非曝气、连续曝气和间歇曝气模式下进水及出水水质的变化，选择了CEWs的曝气策略。此外，通过监测污染物浓度的垂直变化、吸附前后功能填料的组成变化，以及在不同曝气模式下CEWs中弹性填料表面附着微生物的功能细菌活性、酶活性、藻类组成和细菌群落的差异，详细分析了CEWs处理农村污水的机制。

部分内容

测试材料

功能填料以污水处理厂脱水后的Ca/Al基污泥为主要原料制备，并在高温下煅烧，然后通过在2 mmol L^?1柠檬酸中浸泡12小时进行吸附-解吸再生（Guo等人，2024年）。用于接种的藻菌絮体来自中国新疆石河子市一个运行中的人工湿地的砾石表面。随后将其放入模拟废水中（表S1）。

浊度和DO

不同湿地进水与出水之间的浊度和DO变化如图1所示。与进水相比，每个湿地的出水浊度显著降低（p < 0.01），尤其是CEWs-I。相比之下，非曝气的CG和CEWs-N的出水DO降低，而CEWs-C和CEWs-I的出水DO显著高于进水（p < 0.01）。

测试水取自周边低洼地区

结论

通过同步增强物理-化学-生物耦合作用，CEWs的净化效果得到了显著提高。在不同CEWs中，CEWs-N的硝化作用受阻，好氧磷吸收受限；而CEWs-C的反硝化和厌氧磷释放存在局限性。相比之下，CEWs-I形成了交替的氧气环境，从而促进了生物氮和磷的去除。

CRediT作者贡献声明

张可佳：撰写——原始稿件、方法论、数据管理。刘博文：软件、调查。史伟毅：软件、调查。王文怀：撰写——审稿与编辑、方法论、资金获取。郭炳旭：撰写——原始稿件、方法论、数据管理。吴林远：调查。田青远：软件

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竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了兵团关键领域技术研发计划（2025AB046）、国家自然科学基金（52300214）、石河子大学的高层次人才研究启动项目（RCZK202321）以及石河子大学的青年精英计划（BJZK202405）的资助。