《Environmental Research》：Substrate filling ratio affects nitrogen removal and antibiotic resistance risk in modular moving bed constructed wetland: Biofilm-mediated microbial community succession and resistome profiles reshaping
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摘要人工湿地（CWs）被广泛用于污水处理厂出水的高级处理，其氮（N）去除效果常受到抗生素的抑制。CWs基质上的生物膜在污染物的生物降解、微生物群落的稳定性以及抗生素抗性基因（ARG）的传播中起着基础性作用。本研究调查了模块化移动床人工湿地（MMB-CWs）中基质填充率（90%
摘要
人工湿地（CWs）被广泛用于污水处理厂出水的高级处理，其氮（N）去除效果常受到抗生素的抑制。CWs基质上的生物膜在污染物的生物降解、微生物群落的稳定性以及抗生素抗性基因（ARG）的传播中起着基础性作用。本研究调查了模块化移动床人工湿地（MMB-CWs）中基质填充率（90% 和 60%）对运行性能、生物膜特性及抗生素抗性风险的影响。基质填充率更高的 MMB-CW 表现出 83.7% 的更优氮去除效率，并显著减少了 72.6% 的一氧化二氮排放。较高的基质填充率提高了胞外聚合物（EPS）中蛋白质与多糖的比值，可能形成疏水性屏障，并构建了一个具有显著生态位分化的高度模块化微生物网络。基因组导向的分析揭示，携带反硝化和厌氧氨氧化基因（narG、narH、nirS、nosZ、hzs、hdh）的核心类群在基质填充率为 90% 的 MMB-CW 中丰度富集了 1.5 至 12.6 倍。值得注意的是，Desulfobacillus 的丰度增加了 1.7 倍，该菌作为关键种，推动了反硝化、EPS 构建、氧化应激适应及能量产生。催化三羧酸循环中关键产电子与产能步骤的酶以及反硝化酶的丰度升高，驱动了更完整的反硝化过程。高度模块化的网络限制了 ARG 的水平基因转移，缓解了 MMB-CW 中致病耐药细菌（PARBs）的富集以及高风险 ARG 的出现。研究结果为兼顾处理性能与生态风险提供了 MMB-CW 的优化策略。
引言
抗生素在畜牧业和医疗保健中的广泛使用，导致其在污水处理系统和自然环境中的检出频率和浓度不断增加，对水生生态安全和公众健康构成了重大威胁（Yan 等，2026）。由于对抗生素排放的监管不力，以及缺乏针对这些化合物的深度处理工艺，传统污水处理厂（WWTP）在发挥功能的同时，也成为环境汇并持续造成下游污染（Chu 等，2026; Michael 等，2013）。作为一种生态环保、经济高效且高效的基于自然的解决方案，人工湿地（CWs）已被广泛应用于污水处理厂出水的深度处理（Vymazal，2023; Wu 等，2023）。然而，传统 CWs 主要以脱氮除磷为目的，其运行性能面临新兴污染物的挑战。污水处理厂出水中的抗生素可能抑制 CWs 中的微生物代谢过程，从而损害氮去除效果并影响温室气体（GHG）的排放（J. Feng 等，2025; Xie 等，2025）。因此，在抗生素胁迫下优化 CWs，使其同时去除氮和抗生素，具有重要的环境意义。
CWs 中的生物膜是由微生物和胞外聚合物（EPS）组成的聚集体，在污染物的生物降解中发挥着核心作用（Mu 等，2024）。EPS 的组成和结构动态决定了生物膜的稳定性和生物降解性能（Wang 等，2026）。此外，EPS 可屏蔽微生物免受外源毒物的侵害，并深刻塑造内部微生物群落的组装和种间网络，促进微生物之间的合作、竞争以及资源分配（Gao 等，2025）。基质是 CWs 的基本组成部分，其物理化学性质（如比表面积、孔隙率和吸附容量）从根本上决定了生物膜的定殖和特性（Zhong 等，2025）。模块化移动床人工湿地（MMB-CWs）利用轻质材料使基质流化，从而扩大了生物膜的附着面积并增强了结构稳定性。此外，内部挡板的设计延长了水力停留时间并强化了生物降解过程（L. Zhang 等，2026; L. Zhou 等，2025; Zhou 等，2026）。关键在于，基质填充率是 MMB-CWs 中一个至关重要的设计参数，直接决定了可用的生物膜附着面积、水力剪切力以及内部氧化还原条件的分布。然而，目前对于基质填充率的变化是否能够重塑 EPS 的组成和结构，进而影响生物膜内的微生物群落组装和代谢途径，并最终影响 MMB-CW 的运行性能，仍知之甚少。
抗菌素耐药性（AMR）的威胁不断加剧，现已对公众健康构成重大挑战。抗生素的选择压力加剧了 ARG 在 CWs 微生物群落中的增殖与传播，从而使抗微生物耐药性向环境中扩散（Xie 等，2026; L.-Y. Zhang 等，2026）。CWs 中附着于基质的生物膜提供了一个保护性生态位，增加了微生物生物量和细胞间的接触频率，形成了 ARG 富集与传播的热点区域（Flemming 等，2016; Sharif 和 Yadav，2025）。ARG 的传播主要通过水平基因转移（HGT）和垂直基因转移（VGT）进行。ARG 的 HGT 是由可移动遗传元件（MGEs）（如质粒、整合子和转座子）以及噬菌体介导的，通过接合、转化和转导实现 ARG 的种间转移（Pan 等，2026）。与此同时，宿主介导的 VGT 对于 ARG 的增殖同样至关重要，因为环境胁迫下的生态位分化为具有特定适应性特征的类群提供了选择，从而塑造了不同的 ARG 分布和丰度（X. Zhang 等，2026）。值得注意的是，毒力因子基因（VFGs）可与 ARG 共存于湿地微生物中，这些微生物被认定为疑似致病耐药细菌（PARB）（J. Huang 等，2026）。特别地，某些表现出多重耐药的 PARBs 可作为 ARG 和 VFG 传播的中心，造成更为严重的生态和公共卫生风险（Kang 等，2026）。因此，深入评估基质填充率的变化是否重塑了 MMB-CWs 中的耐药组特征（包括 ARG 的持久性、宿主多样性及相关健康风险）势在必行。
基于以上前提，我们假设较高的 MMB-CW 基质填充率将重塑 EPS 的组成，使其形成更具疏水性和保护性的屏障，进而驱动微生物群落的模块化和生态位分化。这种结构重组预期能够增强氮代谢和碳/能流，同时在抗生素胁迫下限制 ARG 的 HGT 以及高风险 PARBs 的富集。在本研究中，我们构建了两种基质填充率不同的 MMB-CW 系统，通过长期性能分析、生物膜表征、基于宏基因组的微生物群落组成分析、功能基因概况分析以及综合健康风险评估框架，从机制层面研究其对运行性能、生物膜特性及 AMR 风险的影响，研究目标为：1）确定基质填充率对 MMB-CW 在抗生素胁迫下氮去除性能的影响；2）揭示基质填充率对 MMB-CWs 生物膜组成和特性的影响；3）阐明基质填充率调节氮去除性能的机制基础；以及 4）评估不同基质填充率 MMB-CW 系统中 ARG 的流行程度和潜在风险。本研究系统地阐明了基质填充率对 MMB-CW 性能和 AMR 风险的影响及机制，为兼顾处理性能与生态风险的 MMB-CW 应用提供了优化策略。
分节摘要
MMB-CW 系统的配置
在中国上海同济大学的一间温室内设置了两套基质填充率不同的 MMB-CW 系统，每套系统均由第一单元（FU）和第二单元（SU）组成。FU 采用了分层介质配置，上层（深度 0–5 cm）填充砾石基质（粒径 4–8 mm），下层则填充多孔轻质陶粒（粒径 10–30 mm）。两套填充率不同（90% 和 60%）的 MMB-CW，分别称为 MMB-CW（90）和
氮去除性能与温室气体排放
在系统稳定阶段，所有基质填充率不同的 MMB-CW 均表现出优异的有机物去除效率（图 S2）。然而，其氮去除性能差异显著，MMB-CW（90）系统在氮去除方面明显优于 MMB-CW（60）（图 1a、图 1b、图 S3）。具体而言，MMB-CW（90）与 MMB-CW（60）系统之间 NH4+-N 的去除效率无显著差异，去除率
讨论
研究结果表明，较高的基质填充率增强了 MMB-CW 系统中的氮去除效果，并大幅减少了温室气体排放。具体而言，基质填充率更高的 MMB-CW 达到了 83.7% 的 TN 去除效率以及 72.6% 的 N2O 减排量，这一表现与我们先前研究（Zhou 等，2026）在优化运行条件下取得的最佳性能相当。性能的提升主要归因于
结论
本研究证明，在抗生素胁迫下，较高的基质填充率可增强 MMB-CWs 中的氮去除效果，同时减轻 N2O 的排放。较高的填充率提高了 EPS 中的 PN/PS 比值，这可能作为致密的疏水屏障，有效富集具有特定生态功能的功能性适应微生物物种，同时保护环境敏感物种。较高的基质填充率驱动了更为显著的生态位
CRediT 作者贡献声明
Jianshi Huang（黄鉴时）：撰写——初稿，研究方法。Weicong Wang（王威聪）：撰写——初稿，验证。Lingwei Kong（孔凌威）：撰写——审阅与编辑，指导，资金获取，概念化。Ping Deng（邓平）：验证，软件，形式化分析。Jiawei Xie（谢佳伟）：验证，软件，研究方法，形式化分析。Liming Zhang（张黎明）：验证，软件，形式化分析。Lei Zhou（周磊）：撰写——初稿，验证，软件，研究方法，形式化分析，概念化。Shuiping Cheng（程水平）：撰写
未引用参考文献
Feng 等，2025；Huang 等，2026；Wang 等，2025；Yang 等，2025；Zhang 等，2026；Zhang 等，2026；Zhou 等，2025。
利益冲突声明
? 作者声明，不存在已知的可能对本研究有所影响的财务利益或个人关系冲突。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（32471696、52170168）及浙江省"尖兵"和"领雁"研发计划（2025C04017）资助。
周磊|谢佳伟|张黎明|孔凌威|邓平|黄鉴时|王威聪|吴双琪|何圣兵|程水平
同济大学环境科学与工程学院生态环境工程研究所、长江水环境教育部重点实验室，上海 200092，中国
