通过生物电化学 constructed wetlands（人工湿地）减轻氯酸盐胁迫，以维持回用水中的氮去除效果

《Bioresource Technology》：Mitigating chlorite stress to sustain nitrogen removal in reclaimed water using bioelectrochemical constructed wetlands

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  亚氯酸盐会降低反硝化菌（CWs）对总氮（TN）的去除效果，并导致亚硝酸盐（nitrite）的积累。
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  在1.0 mg/L的亚氯酸盐应力下，BE-CWs（生物电化学构造湿地，BE-CWs）实现了92.7%的稳定总氮去除率。
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  电化学耦合加速了亚氯酸盐的还原过程，并降低了其毒性。
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  BE-CWs增强了抗氧化酶的活性，并增加了脱氯单胞菌（Dechloromonas）的数量。
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  BE-CWs保持了核心反硝化作用和关键功能性基因的丰度。

引言

随着全球水资源短缺情况的加剧，再生水的利用已成为一种可行且可持续的策略（Feng等人，2025年）。在水处理厂中，通常需要在废水排放前进行最终消毒，以控制病原体的传播并保护公众健康（Al-Otoum等人，2016年）。二氧化氯（ClO₂）因其强大的杀菌能力和较少的传统消毒副产物（DBPs）生成而越来越受到青睐（Han等人，2021年）。然而，在与水中的有机或无机成分反应时，ClO₂不可避免地会分解生成亚氯酸盐（ClO₂^?）（Al-Otoum等人，2016年）。美国环境保护署（US EPA）和世界卫生组织（WHO）分别为饮用水中的ClO₂^?制定了严格的监管限制，分别为1.0 mg/L和0.7 mg/L（Al-Otoum等人，2016年；Liu等人，2026年）。然而，再生水的质量标准仅规定了余氯浓度，而没有明确限制DBPs的浓度。再生水中残留的ClO₂^?已成为一种容易被忽视的新污染物。它们通过生态补给或农业灌溉进入环境，可能对接收生态系统构成潜在威胁。

ClO₂^?在水生环境中表现出显著的细胞毒性和遗传毒性，并对生物处理系统产生重要影响（Ueno等人，2000年）。研究表明，亚氯酸盐不仅会刺激细菌内活性氧（ROS）的产生，引发严重的氧化应激和不可逆的细胞损伤，还会对环境生物直接发挥遗传毒性（Chai等人，2026年；Chhetri等人，2019年）。Feretti等人指出，即使在低于WHO标准浓度的情况下，亚氯酸盐也会在植物生物测定中引起显著的基因损伤，包括染色体异常（Feretti等人，2008年）。此外，ClO₂^?会显著抑制关键氮循环微生物的生长和代谢活动。先前的研究已证实，低浓度的ClO₂^?可以直接有效的失活供水系统中的氨氧化菌（AOB），如Nitrosomonas europaea，从而迅速阻断氨的消耗和亚硝酸盐的生成（Rungvetvuthivitaya等人，2014年）。此外，由于其强氧化性质，ClO₂^?会改变地下环境中的微生物群落结构，并损害反硝化微生物的抗氧化防御系统（Wei等人，2023b）。这会干扰关键的代谢酶活性，进而阻碍生物氮去除过程。

人工湿地（CWs）是一种低能耗且环保的营养物质 removal 技术，广泛用于在再生水排放到天然水体之前进行生态缓冲处理（Fu等人，2026年；Ji等人，2023年）。此外，ClO₂^?还原为Cl^?的标准电位差约为+0.78 V（Shambhavi等人，2024年），远高于NO₃^?还原为NO_{2^?的+0.42 V（Guo等人，2025a年）。从热力学角度来看，它具有作为优先电子受体的潜力。考虑到亚氯酸盐和硝酸盐之间的氧化还原电位差，本研究提出了一种利用微生物电化学系统的新型增强策略（图1）。生物电化学构造湿地（BE-CWs）可以利用湿地系统内的固有生物电化学氧化还原梯度来提高污染物去除效率（Gupta等人，2023年）。阳极区域富集的电活性细菌（EAB）可以有效氧化废水中的有机物，释放的电子随后通过外部电路定向传输到阴极（Chen等人，2026年）。在BE-CWs中，这些生物电子可以促进污染物的还原，而建立的微电场可作为环境刺激，塑造不同基质层中的功能性微生物群落（Zhu等人，2025年）。理论上，生物电子传递可以用于增强亚氯酸盐的还原解毒作用，同时促进氮的去除。}

本文系统研究了亚氯酸盐对三种人工湿地系统的影响：传统人工湿地（CW）、微生物燃料电池构造湿地（MFC-CW）和微生物电解池构造湿地（MEC-CW）。具体目标是：（i）评估亚氯酸盐对不同湿地系统中污染物去除性能的影响；（ii）阐明亚氯酸盐影响湿地处理过程的途径；（iii）通过高通量测序和功能性基因的定量分析，揭示生物电化学构造湿地缓解亚氯酸盐压力的机制。本研究为亚氯酸盐对基于湿地处理系统的生态影响提供了新的见解，并为优化再生水处理用人工湿地的设计提供了理论支持。

章节摘录

湿地基质制备与建造

污泥生物炭（SB）的制作方法参考了先前的报道（Chen等人，2026年）。简要来说，从中国厦门的一个污水处理厂回收的污泥在105°C下烘干48小时，然后研磨并过筛。干燥后的材料在氮气氛围下的管式炉中以600°C加热2小时进行热解。最终得到粒径为1–3 mm的SB。同粒径的活性炭（AC）由厦门水务公司提供。

不同湿地组的出水中COD浓度如图1a所示。可以看出，在1 mg/L亚氯酸盐条件下，MEC-CWs（ESBS-CW）和EAC-CW的COD去除率最高，分别为92.7±0.2%和91.1±0.2%（见补充信息）。MFC-CWs（MSBS-CW和MAC-CW）的COD去除率分别为77.7±0.2%和86.1±0.5%。生物电化学技术通过改善微生物电子传递提高了COD去除率（Youssef等人，2024年）。

讨论

亚氯酸盐的暴露显著扰乱了湿地中的氮转化过程，表现为出水中TN的增加和NO₂^?-N的积累（图1b和e）。作为强氧化剂，亚氯酸盐会破坏微生物细胞并抑制参与硝化和反硝化的酶，导致氮转化不完全。特别是，NO₂^?-N浓度的升高表明亚硝酸盐氧化受到抑制，反硝化不完全。

结论

本研究系统研究了亚氯酸盐暴露对湿地污染物去除性能、微生物活性和功能性微生物群落的影响，并评估了BE-CWs在缓解亚氯酸盐压力方面的优势。亚氯酸盐显著抑制了氮转化过程，导致NH₄⁺-N和NO₂^?-N的积累以及总氮去除率的下降。亚氯酸盐的强氧化性质导致了细胞内ROS的积累，抑制了关键

Boda Ouyang：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、概念化。La Rao：撰写——初稿、验证、调查、数据管理。Zhiyong Zhang：项目管理、正式分析、概念化。Rusen Zou：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、正式分析。Ming-Lai Fu：资源管理、方法论。Baoling Yuan：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52293444）的重大项目支持，以及国家自然科学基金（编号：U24A20186）的联合资金支持。

Boda Ouyang|La Rao|Zhiyong Zhang|Rusen Zou|Ming-Lai Fu|Baoling Yuan

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