玄武岩改良人工湿地在慢性纳米塑料胁迫下植物收割对处理效能及微生物生态影响的机制研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Mechanistic insights into the effects of plant harvesting on treatment performance and microbial ecology of basalt-amended constructed wetlands under chronic nanoplastic stress

　　

摘要
本研究探讨了改性玄武岩纤维（MBF）在长期聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）暴露和植物收获条件下作为人工湿地（CWs）功能基质的作用。采用锰改性玄武岩纤维（Mn-MBF）和钙改性玄武岩纤维（Ca-MBF）作为高性能生物载体，以增强系统韧性和处理效率。在1 mg/L NPs暴露条件下，评估了CWs的净化性能和生态响应。结果表明，植物收获显著刺激了MBF填充组胞外聚合物（EPS）的分泌。具体而言，Mn-/Ca-MBF填充组的EPS含量比对照组分别高23.44%和17.36%。同时，生物膜结构稳定性增强（PN/PS：0.20~0.67），从而缓解了PS-NP诱导的胁迫。此外，MBF基质缓冲了收获对酶活性的不利影响，从而在长期PS-NP暴露下维持了污染物去除性能。高通量测序揭示，植物收获增强了微生物多样性，并在MBF良好生物相容性的促进下，推动了关键功能门类的富集，包括变形菌门和厚壁菌门。功能预测证实，MBF维持了氮代谢相关基因的相对丰度。尽管PS-NPs暴露和植物收获均对整体代谢功能产生抑制作用，但CWs系统保持了稳定的长期修复潜力。本研究为基质修饰与植被管理在CWs中的协同效应提供了新的机制见解，为设计具有韧性和抗干扰能力的基于自然的解决方案，用于处理受PS-NP污染的水环境，提供了坚实的理论基础。

引言
塑料因其可塑性、柔韧性、耐久性、化学稳定性和低生产成本，被广泛用于工业和消费品中。然而，这些特性也导致了其在环境中的持久性，造成广泛积累（Liu等，2023a）。在自然风化和侵蚀过程中，包括紫外线辐射、机械磨蚀和水解降解，较大的塑料碎片逐渐碎化为微塑料（MPs，< 5 mm）和纳米塑料（NPs，< 1 μm）（Shen等，2019）。这些颗粒已在水库、河流和湖泊等多种水环境中被普遍检测到（Liu等，2023a）。越来越多的证据表明，微塑料和纳米塑料（MNPs）具有显著的环境和生态风险。这些颗粒可被浮游动物、底栖无脊椎动物和鱼类等水生生物轻易摄入，可能导致生理胁迫、生长受损和死亡率增加（Farale等，2025）。为此，人们开发了多种处理技术，包括混凝、絮凝、过滤、高级氧化和生物降解等，以从水系统中去除MNPs（Mustapha等，2024）。然而，其实际应用往往受到高运行成本、严格工艺条件和有限去除效率的限制，特别是在低粒径下，阻碍了大规模应用。

人工湿地（CWs）作为一种基于自然的生态工程解决方案，因其低能耗、易维护、操作简单、景观和生态效益以及高效的营养物去除能力，已被广泛应用于处理生活污水、工业废水和农业面源污染（Lu等，2016；Dykes等，2025a；Borsetto等，2025；Dykes等，2025b）。近年来，CWs也被探索用于去除新兴污染物，包括MNPs。例如，Xu等（Zhou等，2022）报告多级混合CWs系统的MPs去除效率在82.8%至88.9%之间，而Dong等（Dong等，2024）观察到在进水浓度100 μg/L时，NP去除效率高达57.29% ± 13.16%。

MNPs在CWs中的去除机制主要包括基质的物理截留和植物根系的截留，以及生物膜的吸附和保留（Zhang等，2024a）。尽管这些去除能力令人振奋，但研究表明，长期MNPs暴露可能对CW性能产生不利影响。MNPs在植物和微生物中诱导氧化胁迫损伤，抑制植物光合系统，干扰生长，并改变微生物群落结构和功能（Huang等，2023）。此外，MNPs暴露和积累可改变生物膜组成，降低基质孔隙率，损害氧气传递效率，共同导致CWs中营养物去除的抑制。这些挑战凸显了需要有效策略来增强CWs韧性，并在MNP胁迫下维持处理性能。

玄武岩纤维（BF）作为一种可持续的高性能无机纤维，具有优异的酸碱耐腐蚀性、机械强度和无毒特性，日益被应用于水处理系统中以增强营养物去除（Zhou等，2024）。既往研究表明，BF基生物接触氧化反应器可有效改善微生物定殖和污染物去除效率（Ni等，2021；Ni等，2022）。此外，改性玄武岩纤维（MBF）通过表面功能化技术（如涂层或化学接枝）制备，表现出增强的吸附能力、改善的生物膜附着和更优的处理性能（Ni等，2022；Gao等，2021；Zhang等，2018）。

最近的研究突出了MBF在NP暴露条件下的优势。Wang等（Wang等，2024）比较了BF基和MBF基接触氧化反应器在NP暴露下的运行性能。结果显示，与BF基系统相比，MBF基系统显著提高了TN（59.74%-67.17%）、TP（48.64%-57.78%）和COD（90.91%-92.89%）的去除效果（Wang等，2024）。Wang等（Wang等，2025a）将MBF引入CWs，观察到MBF补充提高了TP（13.97%-17.94%）和COD（14.14%-18.88%）的去除，同时在NP暴露下保持高氮去除率（>80%）。此外，MBF填充刺激了EPS分泌（17.04%-112.11%），增强了基质酶活性（30.6%-131.5%），并促进了与氮磷去除相关的功能微生物（如Thauera、Plasticicumulans）的富集。此外，MBF还被报道可减轻NP在湿地植物中诱导的氧化胁迫（Wang等，2025a；Wang等，2025b）。

植物在CWs中通过直接吸收、根际介导的转化和根系诱导的物理化学过程，在污染物去除中发挥核心作用（Zhang等，2024b）。除了营养物同化外，植物根系可通过物理截留和表面吸附有效捕获水体中的NPs（Yin等，2025）。然而，新兴证据表明，NPs也可能通过受蒸腾驱动的质外体和胞内途径在植物组织中转位，最终积累在茎叶中并诱导氧化胁迫（Dong等，2024）。这种生理干扰可能损害植物健康，进而影响CW系统的整体处理性能。

植物收获被广泛认为是维持和增强CWs功能的关键管理策略。适当的收获制度不仅促进了植物生物量中积累氮磷的直接去除，还刺激了再生长，从而在连续循环中提高了营养物吸收能力（Zheng等，2018）。此外，收获可通过改变根系分泌物模式和氧气释放间接调控根际环境，进而影响微生物活性和群落结构。例如，Lv等（Lv等，2024）证明，植物收获策略显著增强了CWs中微生物群落的多样性和丰富度，从而促进了CWs中的碳氮循环过程。这些发现表明，植物收获可作为优化CWs污染物去除的有效途径。然而，在NP暴露条件下，基于收获的管理策略的有效性和潜在机制仍知之甚少，需要进一步研究。

在此背景下，改性玄武岩纤维（MBF）作为一种功能生物载体，有望增强CWs中的微生物活性和系统韧性，而植物收获则提供了一种操作策略以维持污染物去除性能。然而，在长期PS-NP胁迫下，MBF引入与植物收获的联合作用尚未得到系统评估。因此，本研究的主要目标是：(1) 在长期PS-NP暴露下，基于植物收获策略研究MBF改良CWs的污染物去除稳定性和效率；(2) 阐明在PS-NP暴露下，植物收获对MBF基CWs中关键生态因子（包括生物膜特征、酶活性和微生物群落结构）的影响。研究结果将为开发针对微塑料和纳米塑料污染水环境的稳健高效生态修复技术提供理论见解和实践指导。

材料清单
原材料与化学品
原始玄武岩纤维由江苏绿谷新材料科技有限公司提供。BF的表面改性使用分析纯试剂进行，包括丙酮（AR）、氢氧化钠（AR）、过氧化氢（AR）、氯化钙（AR）、氢氧化钙（AR）、硫酸锰（AR）和高锰酸钾（AR），均购自国药集团。改性玄武岩纤维（MBF）制备的详细程序见补充信息S1。

CWs营养物去除性能
PS-NP暴露下植物收获后CWs的营养物去除性能见图1。总体而言，植物收获导致CWs对NH4+、NO3-、TP和TN的去除效率明显下降。收获后运行60天，TMn、TCa和CK组的NH4+去除效率分别从收获前的82.24 ± 24.17%、98.06 ± 0.01%和93.36 ± 0.07%显著下降至47.07 ± 11.79%、29.98 ± 7.05%和51.81 ± 4.69%（图1a）。这

结论
本研究评估了植物收获策略对PS-NP暴露下改性玄武岩纤维改良人工湿地（MBF-CWs）可持续净化性能和微生物生态响应的影响。结果表明，在PS-NP暴露下，植物收获抑制了COD、TP和NH4+的去除，同时增强了NO3-的去除，表明CWs系统内氮转化途径发生了显著转变。与……

CRediT作者贡献声明
马浩钦：写作—审阅与编辑，写作—初稿，可视化，调查研究，形式化分析。陈晶晶：写作—初稿，调查研究，形式化分析。黄娟：写作—审阅与编辑，可视化，方法论，资金获取，数据管理，概念化。钱秀文：调查研究，形式化分析。许进：指导，方法论，资金获取。张远远：调查研究，资金获取。王 luming：调查研究，资金获取。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本工作得到国家自然科学基金（批准号52270152）、江苏省重点研发计划（批准号BE2022831）、江苏省自然科学基金（批准号BK20221564）、江西省环境污染控制重点实验室开放研究基金（编号HJWRFZ-Z-2024-01）和江苏省研究生研究与实践创新计划（26CXJH0675）的支持。Soroush Abolfathi感谢资金支持。

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