植物凋落物促进人工湿地中硝酸盐与硫酸盐协同去除：溶解性有机质动态变化及碳、氮、硫转化的宏基因组学解析

《Journal of Environmental Management》：Plant litter promotes nitrate–sulfate co-removal in constructed wetlands: DOM dynamics and metagenomic insights into carbon, nitrogen, and sulfur transformations

　　

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  植物残体有效促进了人工湿地中硝酸盐与硫酸盐的协同去除。
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  溶解性有机质光谱分析揭示了荧光溶解性有机质组分显著的时间动态变化。
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  香蒲和芦苇残体塑造了不同的碳和氮—硫功能潜力。
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  doxD和ttrABC提示人工湿地中可能存在硫代硫酸盐—四硫ionate的转化。

引言

在工业化和城市化快速发展的驱动下，采矿、化工、纺织和国内生活污水通过大量排放硫酸盐和氮污染物进入地表水体，对水生生态系统和公众健康构成威胁（Li等人，2021；Dhar和Singh，2021）。硫酸盐含量超过250 mg/L的富硫酸盐水体可能干扰硫循环，并在厌氧条件下通过微生物硫酸盐还原产生有毒的H₂S，导致水体酸化、沉积物黑化、产生异味及生态毒性（Li和Tabassum，2022）。高浓度硫酸盐暴露还可能引发人类健康问题（Dhar和Singh，2021）。与此同时，过量硝酸盐输入会促进受纳水体富营养化、藻华、耗氧及生物多样性丧失（H?der等人，2020；Yao等人，2025）。

与传统物化处理方法相比，人工湿地（CWs）为废水净化提供了一种成本更低且更可持续的选择，并具有废水回用、水文调节和景观改善等附加效益（Zhang等人，2025a；Zhang等人，2022；Wu等人，2011）。在人工湿地中，硝酸盐和硫酸盐的去除主要由微生物介导的反硝化作用（Tan等人，2021）和硫酸盐还原过程（Chen等人，2024）驱动。在典型的异养反硝化过程中，有机物被完全氧化，二氧化碳和水作为主要终产物，而硝酸盐被逐步还原为氮气（Zhang等人，2025）。与此同时，硫酸盐还原菌（SRB）利用低分子量有机物作为电子供体还原硫酸盐，其作用机制包括不完全氧化至乙酸或完全氧化至二氧化碳（Pi?a-Salazar等人，2011；Zhang等人，2022a）。这些过程使得有机碳的可用性和质量成为控制人工湿地中氮和硫转化的关键因素。

迄今为止，大多数先前研究集中在人工湿地处理单一污染物废水方面，而硫酸盐—硝酸盐共存污染体系的认知仍然不足。当硝酸盐和硫酸盐共存时，硫酸盐还原菌和反硝化菌可能会竞争有限的有机碳和还原当量。从热力学角度来看，基于NO₃^?/N₂的反硝化反应（ΔG⁰' = ?560 kJ/mol）通常比基于SO₄^2?/HS^?的硫酸盐还原反应（ΔG⁰' = ?152 kJ/mol）更为有利。因此，在电子供体受限条件下，反硝化菌往往具有竞争优势（Zhou等人，2025）。因此，维持充足且稳定的碳源供应对于实现硝酸盐和硫酸盐的同步去除至关重要。然而，许多实际废水存在碳源不足的问题。通常会添加乙酸盐、甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸钠等外源碳源来改善氮或硫的去除，但其成本和二次污染风险限制了长期应用（Zhou等人，2024；Zhang等人，2025）。

植物残体作为一种原位、低成本且可再生的碳源，在人工湿地处理低碳废水方面日益受到关注。香蒲和芦苇等常见湿地植物广泛分布，并能积累大量生物量。在人工湿地中再利用其残体可以减少运输需求和碳足迹，同时提高资源循环利用率。据报道，香蒲残体可通过持续释放有机碳并降低氧化还原电位，为硫酸盐还原菌提供有利条件，从而增强硫酸盐去除效果（Chen等人，2014）。芦苇残体也显示出作为碳源的潜力，在水培废水处理中对总氮、硝酸盐和磷酸盐去除的增强效果与蔗糖相当（Zhou等人，2022）。在适当添加量下，芦苇残体可在不引起亚硝酸盐积累的情况下改善氨氮和硝酸盐去除效果（Tao等人，2022）。这些研究证明了植物残体分别支持硝酸盐去除或硫酸盐转化的潜力。然而，其在人工湿地中协同去除硝酸盐和硫酸盐的有效性仍知之甚少。更重要的是，残体基质质量差异如何调控碳释放特征，并进而影响耦合的氮硫转化，尚未得到充分阐明。

人工湿地中碳源释放的溶解性有机质（DOM）可能影响污染物去除性能和出水水质（Cao等人，2019）。这些效应可能与微生物对残体来源溶解性有机质的响应密切相关。例如，芦苇残体释放的溶解性有机质（Zhou等人，2024），尤其是类蛋白组分，可以促进与反硝化相关的微生物群落（Ding等人，2025）。因此，表征溶解性有机质的组成和性质变化对于理解残体来源碳在废水处理过程中的转化与利用具有重要意义。然而，在硝酸盐—硫酸盐共存污染的人工湿地中，残体组成、溶解性有机质动态与微生物功能潜力之间的关系仍缺乏深入了解。整合这些方面的研究有助于阐明植物残体如何支持硝酸盐—硫酸盐协同去除，并指导其在人工湿地处理系统中的合理应用。然而，在硝酸盐—硫酸盐共存污染的人工湿地中，残体基质质量如何塑造溶解性有机质演替，以及这些差异是否进一步转化为不同的中心碳代谢和氮硫功能潜力，仍不清楚。残体质量、溶解性有机质动态、碳处理与氮硫转化之间的这一缺失关联，限制了人们对残体驱动的人工湿地碳—氮—硫耦合机制的理解。

本研究的具体目标为：(i) 评价添加不同植物残体的人工湿地中硝酸盐和硫酸盐的同步去除性能；(ii) 表征溶解性有机质组成的时间变化并评估其对微生物碳处理的影响；(iii) 揭示不同残体添加条件下微生物群落的响应特征；以及(iv) 利用宏基因组分析鉴定植物残体降解、中心碳代谢和氮硫转化方面的功能差异。最终，本研究旨在建立植物残体改良人工湿地中残体质量、碳转化与氮硫功能分化之间的整合关联。

章节摘要

人工湿地构建与运行

构建了三个相同的实验室规模垂直流人工湿地系统，每个系统高0.60 m，内径0.20 m，用于处理人工配制废水（图S1）。每个人工湿地底部铺设15 cm大砾石（20–40 mm），中间层铺设25 cm中等砾石（10–30 mm），顶部铺设15 cm细砾石（1–3 mm），植物栽培于表面。用于栽培的香蒲幼苗经过两周驯化期后

植物残体质量、化学需氧量动态及氮硫去除性能

香蒲和芦苇残体在基质组成上存在差异（表1）。香蒲残体的纤维素含量高于芦苇残体，其木质纤维素结构组分比例（LCH）达到77.06%，而芦苇为67.53%，表明香蒲残体中木质纤维素结构组分比例更高。香蒲的非木质纤维素组分比例（NSF）为22.94%，低于芦苇的32.47%，表明香蒲残体中非结构组分比例较小。相反，芦苇较高的非木质纤维素组分比例表明

结论

本研究提供了证据表明，植物残体可作为碳源补充，促进人工湿地中氮和硫酸盐的协同去除。香蒲和芦苇残体均有利于污染物去除，但香蒲改良反应器在整个实验周期内保持了更为稳定的处理性能。荧光溶解性有机质组分的时间演变存在显著差异，同时控制碳、氮和硫代谢的遗传潜力也存在分歧

CRediT作者贡献声明

张欣欣：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，方法论，调查研究，形式分析，数据整理，概念构思。张春辉：写作——审阅与编辑，监督指导，项目管理，经费获取，数据整理，概念构思。吉斌：写作——审阅与编辑，验证，形式分析，数据整理。张钊：写作——审阅与编辑，方法论，数据整理，概念构思。徐晨啸：写作——审阅与编辑

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了新疆维吾尔自治区重大科技专项（项目编号：2025A01003）和国家自然科学基金（项目编号：42307105）的资助。

张欣欣|张春辉|吉斌|张钊|徐晨啸|崔婷婷|陈乐怡