《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Material or light: Which dominates biofilm assembly and pollutant removal in stormwater storage systems?
编辑推荐：
•材料和光照驱动雨水调蓄系统性能•光照介导有机物的光降解效率•材料主导养分转化过程•不同材料形成不同的生物膜群落•雨水调蓄系统材料选择与运行优化的指导建议引言随着全球城市化的快速发展，不透水地表的扩展加剧了城市径流污染，对非点源水质管理构成了重大挑战。预计到2030年，全球城
- •
材料和光照驱动雨水调蓄系统性能
- •
光照介导有机物的光降解效率
- •
材料主导养分转化过程
- •
不同材料形成不同的生物膜群落
- •
雨水调蓄系统材料选择与运行优化的指导建议
引言
随着全球城市化的快速发展，不透水地表的扩展加剧了城市径流污染，对非点源水质管理构成了重大挑战。预计到2030年，全球城市用地面积将是2000年的三倍（Seto等，2012），城市雨水径流已被认为是水质恶化的主要成因之一，在开发程度较高的流域中，其贡献了接收水体年养分负荷的13%–55%[16]，[19]。道路径流携带着复杂的污染物混合物，包括有机物、养分、重金属和病原微生物，这些污染物会恶化接收水体的水质并威胁水生生态系统健康[16]，[9]。雨水调蓄系统是中国广泛实施的"海绵城市"行动中的关键组成部分，已被部署用于缓解城市内涝并增强雨水滞留能力。这些调蓄系统中较长的水力停留时间（数天至数周）和大量颗粒态有机物为微生物定殖和代谢活动创造了有利条件。除水力功能外，这些系统还充当了事实上的生物处理单元，其中微生物介导的净化过程——包括沉降、生物降解和养分同化——在排放或回用前降低了污染物负荷[19]，[31]。
在此类调蓄系统中，超过95%的微生物以生物膜形式附着在容器表面存在[13]。这些生物膜容纳了异养微生物，从而影响溶解氧动态和生物膜基质中的有机碳周转。这些生物膜作为微反应器，驱动着关键的生物地球化学转化过程[14]，[25]，包括有机碳矿化、硝化和磷的固定。因此，生物膜群落的组成、多样性和代谢组织被认为是系统级净化性能的主要决定因素。调蓄系统的材料特性在生物膜发育中起着关键作用：表面粗糙度、孔隙率、疏水性和化学反应性的差异调控着微生物的附着、群落演替以及种间相互作用网络的架构[15]，[37]。光照是另一个关键因素，它通过代谢耦合介导光养微生物和异养微生物之间的相互作用[33]，从而影响生物膜发育、养分转化和整体净化性能。因此，调蓄材料的物理化学性质和光照条件的可获得性都是主导性的、相互作用的环境驱动因子，共同塑造着雨水调蓄系统中的生物膜群落组织和由此产生的水质净化功能——然而，它们的相对重要性及其运作机制尚未得到系统比较。
尽管材料对生物膜微生物群落的影响已在饮用水输送系统中得到了广泛研究[15]，[24]，[28]，但雨水调蓄生物膜与饮用水生物膜存在根本性差异。饮用水生物膜在相对稳定的条件下发育——持续水流、低且稳定的养分浓度以及埋地管道中缺乏光照——这些条件选择出适应消毒剂胁迫的贫营养、慢生长群落[28]。相比之下，雨水调蓄生物膜经历间歇性水力负荷、高且多变的污染物浓度以及动态光照暴露，这些条件预计会选择出具有更广泛代谢能力和更高功能可塑性的独特微生物组合[22]，[25]。因此，饮用水系统的研究结果无法直接外推到雨水调蓄基础设施中，需要在与雨水相关的条件下进行专门研究。此外，现有针对雨水生物膜的研究主要集中在分类组成和单因素效应上（例如仅考虑材料类型或仅考虑进水水质），对群落组装机制（例如基于标准化随机性比量化确定性过程与随机过程）、共现网络架构以及多个相互作用环境驱动因子之间的定量方差分割的整合分析有限。因此，本研究的新颖性在于其整合的、多因素实验设计，该设计同时量化了材料类型、光照条件和水文情态对污染物去除性能和生物膜群落组织的相对贡献——据我们所知，这一方法此前尚未被应用于雨水调蓄系统。理解材料、光照条件和水文情态如何共同调控生物膜群落结构及其产生的水质净化功能，对于雨水调蓄基础设施的合理设计和运行至关重要[10]，[15]，[20]。特别值得关注的是有机碳去除和养分（氮、磷）转化是否受相同的环境驱动因子控制，还是表现出代谢解耦——即不同的微生物功能群响应不同的环境信号，独立介导碳和养分的循环。如果存在这种解耦现象，将对系统优化产生重要影响，因为在化学需氧量和养分去除之间可能会出现权衡关系，具体取决于优先关注哪些环境因子。
在本研究中，采集了中国南方深圳的道路雨水径流，建立了18套模拟雨水调蓄系统，涵盖三种材料（聚乙烯，PE；铸铁，CI；陶瓷，CE）、两种光照条件（自然昼夜光照，L；持续黑暗，D）和三种模拟降雨频率（F1，5天换水；F2，10天换水；F3，静置不换水）的完全因素组合。在42天的实验期内，每7天监测一次水质参数，并在实验结束时使用16S rRNA基因测序对生物膜群落进行表征[4]，[5]。具体研究目标为：(i) 量化材料、光照条件和降雨频率在调蓄期间对污染物去除方差的相对贡献；(ii) 表征调蓄期间生物膜群落的分类组成、多样性和系统发育结构；(iii) 通过网络分析和标准化随机性比（NST）量化，阐明依赖材料的种间共现模式和群落组装机制；(iv) 提出一个将材料特性通过生物膜群落组织与净化性能联系起来的概念框架。
章节摘要
采样点与雨水采集
道路雨水径流样本于2025年7月采集自中国南方广东省深圳市南山区的一个雨水排水口（22.598773°N，113.99479°E；图1）。深圳是中国南部的一座主要沿海城市，以快速城市化和经济发展为特征。该地区属于亚热带季风气候，具有高温、高湿度和丰沛的夏季降雨。采样点位于深圳大学校园内
雨水调蓄期间水质参数的动态变化
结果表明（图3），在42天的调蓄期内，所有监测污染物的浓度均显著下降（第0天与第42天浓度配对比较；四项参数P均<0.01，基于处理组均值的双侧配对t检验），呈现出特征性的两阶段模式：初始快速去除阶段（约第0–21天），随后逐渐趋于稳定（第21–42天）。COD初始浓度为63.4 mg/L，最终降至
结论
本42天实验系统评估了三种材料（PE、CI和CE）、两种光照制度和三种降雨频率如何塑造雨水调蓄容量和生物膜组装。综合水质、微生物和网络分析识别出材料类型和光照为核心性能驱动因子，降雨频率施加次级调控影响。
它们的影响因污染物而异：光照是解释COD去除方差的主导因素（63.8%），这可能是由于
CRediT作者贡献声明
韩帅：撰写——原稿、调查研究、形式分析。张泉：方法论、概念构思。刘安：撰写——审阅与编辑、监督、经费获取。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到深圳市科技创新计划（项目编号JCYJ20240813141507010和ZDCYKCX20250901093359008）以及广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2024A1515010371）的支持。
韩帅|张泉|刘安
