植物驱动的微生物群落重组维持了铁-生物炭人工湿地在长期PFOA暴露下的多功能性

《Environmental Research》：Plant-driven microbiome reorganization sustains multifunctionality of iron-biochar constructed wetlands under chronic PFOA exposure

　　

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  植物增强了PFOA胁迫下基于反应性铁生物炭（IC）的人工湿地（CW）对N、P和有机质（OM）的去除效果。
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  植被促进了关键酶、胞外聚合物和生物膜稳定性的提高。
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  花菖蒲降低了CO₂、CH₄以及长期全球增温潜势。
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  植物改善了微生物群落结构，并富集了与营养代谢相关的细菌。
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  植物驱动了微生物的铁/硫循环功能和PFOA抗性。

引言

人工湿地（CWs）是一种基于自然的污水处理系统，能够以低能耗、低运行成本和低维护需求去除营养物质和污染物，因此已被广泛应用于工业、农业和市政污水处理（Choi et al., 2024; Liu et al., 2026; Nocetti et al., 2024; Yao et al., 2021）。特别是，它们越来越多地应用于污水处理厂（WWTPs）尾水的处理，尾水通常含有经常规处理后的残余氮、磷、有机质（OM）和新兴污染物（Yao et al., 2025; Zhang et al., 2024）。然而，WWTP尾水通常较低的C/N比导致可生物降解碳供应不足、微生物活性不稳定以及电子传递和氧化还原调控受限（Ma et al., 2025a），可能导致营养物质转化不完全和处理效果不佳。同时，尾水中残留的持久性有机污染物可能进一步干扰CW中的微生物活性和生物地球化学过程（Wang et al., 2023a）。全氟和多氟烷基物质（PFASs）因其广泛使用、环境持久性和对常规处理的抗性而备受关注（Zhang et al., 2025b）。全氟辛烷磺酸（PFOA）是一种代表性的长链PFAS，由于其碳-氟键的高稳定性，难以通过常规水解、光解和生物降解去除（Berhanu et al., 2023; Song et al., 2026）。因此，PFOA可能随WWTP出水进入CW，并与残余营养物质共存（Jia et al., 2023）。先前的研究表明，PFOA暴露可能破坏细胞膜、抑制酶活性、诱导氧化应激反应并改变微生物群落组成，从而影响氮转化、有机质矿化、磷固定和温室气体（GHG）的产生（Shan et al., 2026; Zhou et al., 2025）。因此，在碳供应有限和持久性污染物暴露的双重约束下维持稳定的营养物去除和生态功能，是基于CW处理WWTP尾水面临的重要挑战。

为了解决处理复杂WWTP尾水的CW中碳供应有限和生态不稳定的问题，反应性铁生物炭（IC）材料越来越多地被引入CW基质中（Wang et al., 2025b）。生物炭具有多孔结构和丰富的表面官能团，可能通过孔隙填充、疏水相互作用、静电相互作用和表面吸附等方式保留污染物（Peng et al., 2024）。含铁矿物及其氧化产物还可能通过表面络合或吸附到新生成的铁氧化物和氢氧化物上，进一步促进营养物（尤其是磷）的固定（Qian et al., 2026）。此外，铁材料与导电生物炭的组合可以促进电子传递和铁/硫氧化还原循环，从而支持营养物质转化和微生物附着（Fan et al., 2024; Wang et al., 2025b）。然而，IC材料的添加可能导致铁/硫淋失以及生物质和无机沉淀物的累积，可能在长期运行后增加环境威胁和堵塞风险（Xin et al., 2024）。这些局限性表明，仅靠基质可能不足以维持基于IC的CW的长期功能，需要植被等生态因素的进一步调控。

植物是CW系统的基本组成部分之一，可以影响CW的性能（Liu et al., 2024）。据报道，植被不仅能够直接同化氮和磷等营养物质，还通过提供生物膜附着位点、释放氧气、创造异质性好氧-厌氧微环境以及分泌低分子量有机化合物来改善根际条件（Hu et al., 2023）。已有研究表明，花菖蒲（I. pseudacorus）是一种典型的挺水大型植物，具有高产量和发达的根系，因其对水力条件波动和污染物胁迫的强适应性而在CW中广泛使用（Cri?an, 2025; Ma et al., 2025b）。这些特征表明，花菖蒲可能增强暴露于PFOA的基于IC的CW中的去除性能和生态韧性。然而，目前植被对PFOA胁迫缓冲、微生物功能稳定性和温室气体减排的贡献仍未得到充分理解，尤其是在基于IC的CW系统中。

因此，本研究建立了无植物和有植物的基于IC的CW系统，以研究长期PFOA暴露条件下花菖蒲的调控效应。研究目标为：（1）评估两个系统在氮、磷和有机质去除方面的时间差异；（2）表征与植被相关的生物膜发育、营养物质转化酶活性和氧化状态指标的变化；（3）评估与植物存在相关的温室气体排放的时间差异；（4）表征种植系统与非种植系统在微生物群落结构和PICRUSt2预测功能潜力方面的空间差异。本研究结果有望为理解PFOA胁迫下CW中植被的生态作用提供新见解，并为设计具有更可持续性、环境风险更低的尾水处理CW提供实践指导。

章节摘要

实验装置与含PFOA进水制备

在本研究中，实验室构建了两个微宇宙规模的CW系统并进行了运行，包括种植植被的基于IC的CW（ICP）和基于IC的无植物CW作为对照组（ICC）。选择花菖蒲作为本研究的湿地植物，因其具有强的环境适应性和发达的根系，有利于营养物质利用和微生物定殖。种植密度设定为每系统四丛。所有反应器均为圆柱形有机玻璃柱，直径350

对氮去除的潜在影响

在种植的基于IC的CW系统中，NH₄⁺-N去除效果稳定且高效，范围在85.87%至99.35%之间（图1a）。ICP组在0-132 d期间观察到相对较大的波动，最高NH₄⁺-N浓度高达2.11 mg/L。然而，在132-300 d期间，去除率下降（即去除效率上升），189 d之后去除效率保持在95%以上。相比之下，ICC出水中的NH₄⁺-N浓度始终高于种植的ICP。此外

结论

本研究表明，花菖蒲在长期PFOA胁迫下作为基于IC的CW系统中的有效生态调节剂发挥了作用。植被促进了氮转化的协同作用并增强了磷和有机质的去除，从而提高了PFOA暴露下的处理稳定性。花菖蒲的存在还刺激了与营养循环相关的关键微生物酶活性，增强了胞外聚合物产生和生物膜稳定性，以及

CRediT作者贡献声明

徐瑾：资金获取。曹冲：写作—审阅与编辑。姚佳伟：写作—审阅与编辑。李长晓：写作—审阅与编辑。梁智水：写作—审阅与编辑。黄娟：监督、项目管理、资金获取。钱秀文：写作—审阅与编辑，写作—初稿撰写，可视化，验证，软件，资源，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究受国家自然科学基金（52270152）和江西省环境污染控制重点实验室开放研究基金（HJWRFZ-Z-2024-01）资助。

钱秀文|黄娟|梁智水|李长晓|姚佳伟|曹冲|徐瑾