《Environmental Technology & Innovation》：Effect of subsurface supplemental lighting on water purification in subsurface wastewater infiltration systems and its microbial mechanisms
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地下污水渗滤系统（SWISs）已被广泛用于分散式生活污水处理；然而，低氮（N）去除效率仍是一个主要瓶颈。光照暴露可能通过改变微生物群落组成来影响污染物去除效率。为研究补充光照和玻璃填料对水质净化性能及其潜在微生物机制的影响，研究人员开展了一项涉及补充光照和玻璃
地下污水渗滤系统（SWISs）已被广泛用于分散式生活污水处理；然而，低氮（N）去除效率仍是一个主要瓶颈。光照暴露可能通过改变微生物群落组成来影响污染物去除效率。为研究补充光照和玻璃填料对水质净化性能及其潜在微生物机制的影响，研究人员开展了一项涉及补充光照和玻璃填料添加的两因素实验。监测了出水N浓度、植物和基质中的N积累以及微生物群落结构。结果表明，在不含玻璃填料的系统中，补充光照提高了系统pH值并降低了浊度，促进了发酵性和反硝化细菌（如Bacteroidota和Campylobacter）的富集，增强了微生物网络连接性，并将N去除途径从植物吸收主导转变为微生物转化主导，从而使总氮（TN）去除效率提高了63.5%。在含玻璃填料的系统中，补充光照富集了Verrucomicrobiota，并提高了NH??-N去除效率11.9%。然而，反硝化作用受到抑制，导致TN去除效率降低了19.1%。这些结果表明，补充光照可作为调节SWIS性能的有效策略，而优化填料组合可能进一步增强系统内特定污染物的去除。
论文解读
**研究背景与问题**
分散式生活污水排放已成为全球性水污染问题，每年约3.6×1011 m3的废水中有近48%未经处理直接排放，威胁生态系统健康。地下污水渗滤系统（Subsurface Wastewater Infiltration Systems, SWISs）因建设运行成本低、维护简便、处理效率高，被广泛用于分散式生活污水处理。SWISs通过土壤基质吸附、植物吸收和微生物过程去除污染物，化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）和总磷（Total Phosphorus, TP）去除率通常超过80%，但氮（N）去除效率仍受限，仅10%–90%不等，主要瓶颈在于氧气不足抑制硝化或碳源不足限制反硝化。以往研究通过人工曝气、调节碳氮比（C/N）或添加活性炭、生物炭等基质来提升效率，但可能增加出水COD浓度，带来二次污染风险并增加运行管理复杂性。近年来，补充光照在污水处理中受到关注，其通过改变微生物群落组成、酶活性及大型植物生长影响污染物去除效率，但在SWISs中，光穿透受土壤基质限制，尚不清楚其他系统中的光照效益能否直接应用于地下系统。因此，有必要研究补充光照与透光玻璃介质如何协同影响SWISs中的微生物群落结构与污染物去除效率。
**研究内容与结论**
本研究建立了12个实验室规模的SWISs，开展补充光照与玻璃填料添加的两因素实验。监测出水N浓度、植物生物量及N积累、基质N积累以及微生物群落结构。结果表明，在不含玻璃填料的系统中，补充光照使总氮（TN）去除效率提升63.5%，主要机制包括提高pH、降低浊度、富集发酵性及反硝化细菌（如Bacteroidota和Campylobacter）、增强微生物网络连接，并将N去除途径从植物吸收主导转向微生物转化主导。在含玻璃填料的系统中，补充光照促进了Verrucomicrobiota的富集，NH??-N去除效率提高11.9%，但反硝化过程受抑制，TN去除效率降低19.1%。这些发现表明，补充光照可有效调节SWISs性能，优化填料组合可能进一步强化特定污染物的去除。该研究为理解光驱动氮去除机制提供了新视角，并为SWISs设计与运行优化提供了理论支持。论文发表在《Environmental Technology》。
**主要关键技术方法**
1. **实验系统构建**：采用聚丙烯箱体（40 cm × 40 cm × 140 cm），垂直嵌入透光玻璃管（长120 cm，直径36 mm）以容纳LED灯带（功率11 W/m）；部分系统在玻璃管外包裹透明网袋（长1 m，直径40 mm），内装透光玻璃颗粒（粒径1–3 mm）。基质分两层：底部20 cm陶粒（30–55 mm），上部80 cm棕壤。
2. **实验设计**：两因素（补充光照与否、玻璃填料与否）设置4个处理组（CC、CG、HC、HG），每组3个重复，共12个系统。每个系统均匀种植18株韭菜（Allium tuberosum）。
3. **水样采集与测定**：每3天采集出水，使用YSI水质分析仪测定pH和溶解氧（Dissolved Oxygen, DO），Hach浊度计测定浊度，并经0.45 μm滤膜过滤后，分别采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、紫外分光光度法和纳氏试剂分光光度法测定TN、NO??-N和NH??-N。
4. **植物与土壤样品采集**：实验结束时全株收获植物，分离地上/地下部分，105?°C杀青后65?°C烘干至恒重，使用元素分析仪（vario ISOTOPE cube, Elementar, Germany）测定N含量。基质样品按0–20 cm、20–40 cm、40–60 cm分层采集，每层5点取样，部分样品用于N含量测定，部分于–80?°C保存用于微生物分析。
5. **微生物群落分析**：提取基质DNA，扩增16S rRNA基因V3–V4高变区（引物341F/806R），进行高通量测序。使用FAPROTAX注释功能谱，BugBase预测表型，SparCC构建共现网络（|r|>0.1, p<0.05），Gephi可视化及拓扑分析，Zi–Pi图鉴定关键类群。
6. **氮质量平衡分析**：计算N输入、输出、植物吸收、基质保留及微生物转化（包括微生物同化及硝化/反硝化），并计算各途径贡献率。
7. **统计分析**：使用R软件（4.2.3）进行双因素方差分析（Two-way ANOVA）及独立t检验，检验正态性和方差齐性，必要时进行对数转换或非参数检验。
**研究结果**
**3.1 氮去除效率**
通过监测出水N浓度和氮质量平衡，发现无玻璃填料时，补充光照（HC）使TN去除效率较对照（CC）提高65.4%，主要归因于pH升高、浊度降低，促进微生物驱动的N去除路径，微生物转化贡献增加99.0%，而基质吸附和植物吸收贡献分别下降16.0%和36.1%。有玻璃填料时，补充光照（HG）使NH??-N去除效率较CG提高11.9%，但TN去除效率降低21.2%，原因是玻璃填料产生优先流路径，导致部分废水绕过土壤过滤，同时增加浊度，扩大好氧区域抑制反硝化。
**3.2 优势微生物群分析**
通过16S rRNA扩增子测序分析群落结构，发现无玻璃填料时，补充光照显著富集发酵性细菌Firmicutes（+5.3%）和Bacteroidota（+5.7%），以及其关键功能属Bacteroides（+21.5%）和Campylobacter（+21.9%），这些细菌协同将复杂有机物转化为短链脂肪酸（SCFAs）供反硝化利用，是TN去除效率提升的微生物基础。Nitrospira（亚硝酸盐氧化菌，NOB）丰度在HC处理中约为CC的两倍，表明补充光照同时促进硝化。有玻璃填料时，补充光照使黏蛋白降解菌Akkermansia丰度降低36.7%，发酵菌Bacteroides降低3.1%，而反硝化菌Campylobacter增加3.3%，但Nitrospira变化不大，自养反硝化菌Thiobacillus受光照抑制，整体发酵菌减少限制碳源供应，导致反硝化性能下降。
**3.3 共现网络分析**
通过SparCC构建网络及Zi–Pi图分析，发现无玻璃填料时，补充光照（HC）形成低模块化但紧密连接的协同网络，4个模块枢纽（module hubs）均属于Bacteroidota和Firmicutes，多枢纽结构促进碳氮流高效传递，增强TN去除。有玻璃填料时，补充光照（HG）使网络向模块化和功能专一化演变，模块枢纽降至单一菌株（Firmicutes的ASV3658），模块间连接稀疏，限制了多步骤反硝化所需的跨模块协作，解释了TN去除性能下降。
**3.4 微生物功能代谢**
基于FAPROTAX的功能预测显示，无玻璃填料时，补充光照使反硝化功能基因预测丰度增加29.5%，同时光自养代谢功能增强，表明光照通过促进光合生物活动间接刺激反硝化。有玻璃填料时，补充光照使光养功能丰度（Phototrophy）达1.93%，尤其是蓝细菌相关含氧光自养功能占1.83%，这解释了NH??-N去除效率的提升，但高强度好氧环境抑制了完全反硝化，反硝化功能丰度甚至低于CC系统。尽管完全反硝化受抑，但“硝酸盐还原”功能丰度（2.91%）为各组最高，表明硝酸盐可能大部分还原为中间产物（如亚硝酸盐）而非氮气，直接解释了TN去除效率不佳。
**总结讨论与结论**
讨论部分指出，不同处理配置通过改变SWISs内理化条件（pH、浊度、DO等）改变微生物功能潜力，进而影响氮转化途径与整体去除性能。无玻璃填料时，补充光照通过提升pH、降低浊度、富集关键发酵与反硝化菌、增强网络整合度，使微生物贡献主导N去除，适合以TN去除为目标的设计。有玻璃填料时，补光促进光自养和硝化过程，但抑制反硝化，导致TN去除降低，适用于需强化NH??-N去除但需权衡TN损失的应用场景。研究结论部分指出：本研究表明，不含玻璃填料时补充光照能增强TN去除，与pH升高、浊度降低及反硝化相关微生物功能潜力富集有关，因此推荐该配置用于改善SWISs的氮去除；而添加玻璃填料改变了系统对补充光照的响应，通过增强光透射主要促进硝化，但限制后续反硝化，导致TN去除效率下降。这些结果证明，优化光传输路径对于在光照地下系统中实现硝化与反硝化的平衡至关重要。未来研究应进一步探究光照强度、波长和光周期等参数对氮转化机制的影响，并评估补充光照在实际SWISs应用中的可行性与长期稳定性。
