《Environmental Research》：Mitigating Bio-Clogging in Subsurface Flow Constructed Wetlands via Quorum Quenching: Performance Evaluation and Mechanistic Insights
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摘要地下流人工湿地（SSFCWs）因高效利用湿地空间并显著提高处理容量，已被广泛应用于污水废水处理。然而，由胞外聚合物（EPS）积累所驱动的生物堵塞严重限制了其使用寿命和水力性能。针对这一问题，本研究基于Rhodococcus sp. BH4和猪肾酰基酶I开发了两种群体感应消
摘要
地下流人工湿地（SSFCWs）因高效利用湿地空间并显著提高处理容量，已被广泛应用于污水废水处理。然而，由胞外聚合物（EPS）积累所驱动的生物堵塞严重限制了其使用寿命和水力性能。针对这一问题，本研究基于Rhodococcus sp. BH4和猪肾酰基酶I开发了两种群体感应消除（QQ）策略以缓解SSFCWs中的生物堵塞。与对照组相比，两种QQ处理使水力导率提高了1.1–1.3 cm/s，化学需氧量和氨氮去除效率分别提高了最高12.1%和10.3%。代表性酰基高丝氨酸内酯（AHL）信号分子C8-HSL的浓度从45.8 ng/L显著下降至15.0 ng/L，表明两种QQ处理均通过AHL水解削弱了群体感应（QS）。该浓度的降低伴随EPS总含量减少了13.1%–30.8%。值得注意的是，QQ策略抑制了与堵塞相关的厌氧微生物（如Clostridium属）的增殖。同时，与QS和EPS合成相关的关键基因（包括luxR和algD）的预测相对丰度降低。这种模式可能促进了更疏松、更具亲水性和抗堵塞性的生物膜结构形成，从而促进生物膜内的氧气和底物传递，最终提高了污染物去除效率。总体而言，本研究揭示基于QQ的方法可将生物堵塞控制从被动缓解转变为主动的源头生态调控，为维持SSFCWs的水力功能和长期运行稳定性提供了新见解。
引言
人工湿地（CWs）作为可持续的高级废水处理系统，因其运行成本低、能耗低和环境友好等特性，被广泛应用于污水处理厂（WWTPs）出水深度处理和 aquatic 生态系统修复（Ji et al., 2023; Seintos et al., 2025）。在各种湿地构型中，地下流人工湿地（SSFCWs）因具有显著的经济可行性、高效利用湿地空间以及对氮、磷等营养物质的高效去除能力，被广泛认为是一项极具前景的技术（Zhang et al., 2024）。据报告，SSFCWs占中国人工湿地工程项目的50%以上（Chen et al., 2024）。然而，基质堵塞已成为限制这些CW系统使用寿命的普遍运行瓶颈。根据美国环境保护署的调查，约50%的CWs在运行最初五年内经历不同程度的堵塞，导致渗透率和净化性能严重下降（Cai et al., 2021）。据报道，堵塞导致约80%的进水通过地表路径短路，将CWs的容积效率降至71%，并严重限制了废水、基质和微生物之间的充分接触（Knowles et al., 2010）。因此，开发有效的堵塞预防和控制策略对于确保CWs的可持续运行和更广泛的工程应用至关重要。
CWs堵塞的原因复杂，包括物理拦截、化学沉淀和生物积累（Zhang et al., 2021）。其中，生物堵塞已被确认为导致CW渗透率不可逆下降的主要因素（Huang et al., 2023; Wang et al., 2021）。其主要源于微生物代谢过程中产生的胞外聚合物（EPS）的过度积累。这些高粘性生物大分子不仅占据基质孔隙空间，还吸附和截留水中的细悬浮颗粒，加速基质压实（Cao et al., 2021）。针对这一挑战，已提出多种生物堵塞缓解策略。例如，Li et al.（2021）采用间歇曝气加速积累有机物的好氧降解，Wang et al.（2025）利用硫化物化学分解EPS的多糖基质。此外，CW微生物燃料电池也被开发用于同步增强污染物降解和缓解生物堵塞（Li et al., 2026）。然而，这些缓解策略主要集中于物理化学后处理，其广泛应用往往受到高运行成本、潜在二次污染风险和有限的环境适应性等限制。因此，需要一种经济可持续的原位策略来抑制CW运行过程中的EPS分泌，将生物堵塞控制从被动修复转变为源头预防。
群体感应（QS）通常被认为是EPS分泌的关键调节因子（Jia et al., 2025）。酰基高丝氨酸内酯（AHL）是最具代表性的介导生物膜形成的信号分子（Chen et al., 2025），在达到一定浓度阈值时会触发EPS合成基因的过度表达（Mukherjee and Bassler, 2019），直接加速基质生物堵塞。为干扰该调节过程，群体感应消除（QQ）作为一种创新的生物控制策略应运而生。该方法依靠多种机制，尤其是通过酶促水解降解AHL分子，有效破坏QS通讯（Xu et al., 2024）。Zhu et al.（2025）最近的研究表明，酰基酶介导的AHL水解阻碍了生物膜发育，使优势生物膜形成菌的相对丰度从62.0%急剧降至36.5%。此外，QQ细菌的生物强化仍是控制原位生物堵塞的有力且可持续的策略（Lade et al., 2014）。例如，Huang et al.（2025）报道Rhodococcus sp. BH4的应用将MBR过滤周期从35天（对照组）延长至51天，并使膜生物膜饼层中的EPS积累减少了15.1%。尽管QQ具有潜在应用价值，但以往研究主要集中在膜生物反应器和其他表面相关生物膜系统。QQ是否适用于SSFCWs的生物堵塞控制尚不明确。与膜生物污染不同，植物、颗粒介质和微生物共同参与CWs的污染物去除。基质床内生物膜的积累与孔隙结构变化、空间流分布和根际条件密切相关。因此，有必要研究QQ作为低扰动、源头控制缓解策略对原位CW生物堵塞的潜力。
在本研究中，将猪肾酰基酶I和包裹Rhodococcus sp. BH4的微生物微珠引入实验室规模SSFCWs中，以水解AHL信号分子并抑制生物膜关联微生物的QS。通过持续监测水力导率、污染物去除效率和详细表征堵塞物质来评价QQ处理湿地的性能。此外，通过高通量测序分析微生物群落动态和功能基因丰度，揭示QQ缓解生物堵塞的生物学和物理化学途径。这些发现将推进对基于QQ的生态调控的理解，并通过源头控制为增强CWs的长期水力稳定性和运行韧性提供可行方法。
章节摘要
实验设置
在山东大学（青岛）建立了三组实验室规模SSFCWs。对照组（CW-CT）在自然条件下运行，未添加任何QQ物质。对于酶基QQ组（CW-QE），选择猪肾酰基酶I（二级品级，Sigma-Aldrich，美国），因其具有成熟的水解AHL和破坏QS的能力（Xu et al., 2003），并将其直接溶解于合成进水中，在每个72小时投喂周期开始时投加以达到初始
流动特性与基质堵塞的变化
CW系统水力参数的演变如图2a–c所示。在CW-CT中，基质发生压实和孔隙堵塞，其特征表现为有效孔隙率降至32.9%，水力导率降至2.1 cm/s。相比之下，另外两个系统显著延迟了水力性能恶化的趋势。与CW-CT相比，CW-QE和CW-QB表现出更强的抗堵塞能力，其最终有效孔隙率保持
结论
本研究开发了两种QQ策略以缓解SSFCWs中的生物堵塞。结果表明，QQ策略有效缓解了CWs中的生物堵塞。定量分析显示，与对照组相比，QQ处理使水力导率提高了1.1–1.3 cm/s，相当于初始渗透率恢复了25%–30%，COD和NH4+-N去除效率分别提高了最高12.1%和10.3%。这种宏观恢复主要归因于
CRediT作者贡献声明
Yu Peihan：写作 – 审阅与编辑。Xie Huijun：写作 – 审阅与编辑。Zhang Jian：写作 – 审阅与编辑。Wang Fangbo：写作 – 原稿撰写，可视化，软件。Guo Zizhang：写作 – 审阅与编辑。Xu Ming：写作 – 审阅与编辑。Su Ying：写作 – 审阅与编辑。Hu Zhen：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，概念构思。Xu Peipei：验证，方法论，形式化分析，数据整理
利益冲突声明
? 作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。
致谢
本研究由中国国家自然科学基金（编号：52570208）和微生物技术国家重点实验室内部联合项目基金（编号：SKLMTIJP-2024-09和SKLMTIJP-2025-02）支持。我们特别感谢（中国天津大学）王灿教授慷慨提供QQ菌株BH4。我们也感谢生命与环境测试平台对本研究的支持。
Wang Fangbo|Hu Zhen|Xu Peipei|Xu Ming|Su Ying|Yu Peihan|Xie Huijun|Zhang Jian|Guo Zizhang
山东省复杂多介质污染协同控制重点实验室，山东大学环境与工程学院，青岛266237，中国
