新兴化学和生物污染物在全规模多单元综合人工湿地中的归趋与去除

《Bioresource Technology》：Emerging chemical and biological contaminants fate and removal in a full-scale multi-cell integrated constructed wetland

　　

全规模综合人工湿地（Integrated Constructed Wetland, ICW）能有效去除新兴化学和生物微污染物。去除与归趋表现出空间变异性和化合物特异性行为。大多数微污染物在出水和沉积物中显示低生态风险。细菌群落重构以及抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）在ICW出水中持续存在。相对丰度显示ARGs从水相向沉积物的分区再分布。

研究背景与意义

随着污水处理法规对新兴污染物的关注日益增加，传统处理工艺的局限性凸显。新兴化学污染物如全氟和多氟烷基物质（PFAS）、药物和个人护理产品（PPCPs），以及生物污染物如抗生素抗性细菌（ARB）和抗生素抗性基因（ARGs）在常规出水与受纳水体中频繁检出。欧盟城市污水处理指令（EU 2024/3019）的修订强调了微污染物监测和抗菌素耐药性管控。然而，先进处理技术虽高效，但能耗与成本较高。自然解决方案（NbS）中的综合人工湿地（ICW）作为可持续替代方案受到关注，但现有证据多来自中试或控制实验，长期全规模运行数据有限。此外，ICW多单元结构形成异质生物地球化学环境，污染物归趋复杂，化学污染物与微生物群落的耦合作用尚不明确。沉积物中污染物的积累也影响循环经济管理。因此，本研究以运行近20年的爱尔兰Glaslough ICW为对象，评估新兴化学和生物污染物的归趋、分布与累积，为长期运行的ICW可持续管理提供现场尺度证据。该论文发表在《Bioresource Technology》。

研究方法概述

研究人员于2025年3月对Glaslough ICW进行现场采样，水样采集自入流和各处理单元出流，沉积物取自第2至第4单元进出口。采用超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）分析67种化学微污染物；利用实时定量聚合酶链反应（qPCR）定量16S rRNA基因、class 1整合子（intI1）和12种临床相关ARGs；对水样进行宏基因组测序（Illumina NovaSeq），并通过Kraken2等工具进行细菌群落分析；采用风险商值（RQ）评估生态风险。

研究结果

3.1 ICW对常规水质管理的功能

基于2011-2024年历史监测数据和现场采样，研究人员发现ICW对常规参数去除稳定，BOD₅约6 mg/L，TSS低于15 mg/L。现场采样显示，总磷（TP）从约10 mg/L降至4 mg/L，去除率约60%；溶解性有机碳（DOC）去除约80%；总氮（TN）去除约48%。第一处理单元对整体去除贡献最大，下游单元起进一步净化作用。

3.2 微污染物浓度、去除与风险评估

在67种目标物中，21种在水中定量检出。入流总浓度52,832 ng/L，最终出水5099 ng/L，去除率约90%，但中间第2单元出现浓度回升，中值浓度从第1单元出流的305 ng/L增至710 ng/L，表明内部再分配。化合物去除呈特异性：奥美沙坦和克拉霉素去除率<50%，卡马西平和双氯芬酸为50-80%，加巴喷丁、阿替洛尔和苯甲酰爱康宁>80%。风险评估显示，最终出水中大部分化合物RQ<0.1，但克拉霉素、利多卡因和双氯芬酸RQ>1。沉积物中检出14种化合物，第4单元进出口中值浓度从13.2增至36.7 ng/gdw，苯并三唑和二苯甲酮等沉积物RQ>1。

3.3 宏基因组测序揭示微生物群落重构

宏基因组测序显示，水样中细菌占99.0%。入流以肠杆菌科（Enterobacteriaceae）等为主，沿程下降；最终出水中黄杆菌科（Flavobacteriaceae）占优势（>50%）。属水平上，克雷伯菌属（Klebsiella）和不动杆菌属（Acinetobacter）降低，而Myroides和Flavobacterium增加。Bray-Curtis多维尺度分析显示群落明显分离，表明处理梯度驱动微生物演替。

3.4 抗生素抗性基因的定量及其去除

qPCR结果显示，水相ARG相对丰度（ARGs/16S rRNA）从入流的5.53×10^-6降至出水的9.62×10^-8，约两个数量级；绝对丰度降低2.5-3.0 log₁₀（>99%）。沉积物中相对丰度从2.12×10^-2降至4.48×10^-4，但仍高于水相。intI1在沿程中增加，表明整合子携带菌可能富集。部分ARGs如ermB在第3单元入口增加，与克拉霉素浓度最高点吻合，提示潜在选择性压力。

讨论与结论

讨论部分指出，化学微污染物的空间变化与化合物物化性质及系统内部过程有关。持久性化合物如卡马西平在沉积物和水相中均存在，显示吸附不足以完全去除。苯并三唑和二苯甲酮在沉积物中累积，RQ>1，提示沉积物管理的重要性。微生物群落向湿地适应型转变，与ARG水相丰度下降相一致，但缺乏功能验证。ARGs在沉积物中富集，说明沉积物是抗性储库。intI1的升高可能源于群落更替而非单纯水平转移。研究也指出单次采样的局限性，并建议结合长期监测和示踪剂评估稀释效应。未来研究需区分转化与相分配，并评估沉积物稳定性。

结论：本研究提供了运行近20年的全尺寸综合人工湿地（ICW）中药物微污染物、微生物群落组成和抗生素抗性基因（ARGs）的分室解析评估。结果表明，长期运行的ICW能有效衰减化学和生物污染物，排放残余风险总体较低。药物去除呈化合物特异性，从难降解化合物的有限去除到其他化合物的接近完全去除。水中中值浓度从入流的450 ng/L降至最终出水的约245 ng/L，尽管中间单元出现710 ng/L的暂时升高。沉积物在去除中起重要作用，微污染物浓度范围为8.7-36.7 ng/gdw，下游单元出现积累，表明从水相向固相转移。对于抗菌素耐药性，水中ARG相对丰度下降约两个数量级（5.53×10^-6至9.62×10^-8 ARGs/16S），而沉积物中较高（2.12×10^-2至4.48×10^-4）。因此，应优先考虑稳定的水力分配、充分的沉降条件和减少沉积物再悬浮，以支持颗粒物和ARGs的截留。微生物群落分析进一步显示沿处理梯度从污水相关类群向湿地适应群落的转变。总体而言，这些发现提供了现场尺度证据，表明ICW能在常规参数之外提供可靠的废水深化处理，同时凸显了沉积物过程和内部系统动态对长期运行与管理的重要性。