盐度梯度下 AMF-IWS 一体化人工湿地净化含抗生素、重金属和亚硝酸盐的海水养殖废水

《Journal of Water Process Engineering》：Purification of mariculture wastewater with antibiotics, heavy metals, and nitrite by AMF-IWS integrated constructed wetlands under salinity gradients

　　• AMF-IWS 强化人工湿地在复合胁迫下稳定处理海水养殖废水。• 复合污染物和盐度共同影响养分去除效率。• 胞外聚合物（EPS）分泌被确定为微生物在复合胁迫下的防御机制。• *Denitromonas* 和 *Sulfurovum* 与 SMX/Cu2? 及氮去除有关。## 引言中国在海水养殖（MA）面积和产量方面均居世界首位 [1]。然而，集约化养殖操作因排放氮（N）、磷（P）、抗生素和重金属而引起重大的环境问题。氮和磷主要来源于饲料和排泄物，饲料来源的养分中有 75–90% 未被同化而释放到环境中，导致富营养化 [2]。同时，兽用抗生素在现代水产养殖中被广泛用于促进生长和预防传染病 [3]。磺胺甲恶唑（SMX）是一种常被检测到的抗生素，具有环境持久性，并通过水平基因转移促进抗生素抗性基因的传播，对生态系统和人类健康构成风险 [4]。此外，铜（Cu）常作为微量营养素或防污剂添加到饲料中，可在水生环境和食物链中积累，构成生态和健康风险 [5]。此外，亚硝酸盐氮（NO??-N）是微生物硝化作用的中间产物，常因工艺失衡而在集约化和循环水养殖系统中积累，对水生生物具有高毒性 [6]。针对 MA 废水开发了各种处理方法，其中生物技术因其成本效益高、效率高和二次污染低而被广泛应用 [7]。人工湿地（CWs）作为一种基于自然的生物过滤系统，因其能耗低、操作简单以及对水力冲击和污染物冲击的韧性，被广泛应用于 MA 废水处理。自 2003 年首次应用于废水处理以来 [8]，CWs 一直是一项有前景的技术。Shpigel 等人 [9] 报道使用基于海蓬子（*Salicornia*）的 CWs 满意至优秀地去除了海水养殖废水中的主要污染物。Chen 等人 [10] 建立了一个部分饱和的垂直流 CW，用于去除合成海水养殖废水中的 N 和 SMX，实现了 34.1–100% 的氨氮（NH??-N）、67.8–97.3% 的总无机氮（TIN）和 29.8–57.2% 的 SMX 去除率。然而，MA 废水中的高盐度抑制了植物生理活动和微生物代谢，从而限制了系统的稳定性和处理效率 [11]。为解决这一限制，提出了各种增强策略，包括基质/植物选择、耐盐微生物接种、生物电化学整合、多阶段 CW 配置和运行优化 [7]。其中，引入耐盐微生物如丛枝菌根真菌（AMF）和潮间带湿地沉积物（IWS）已成为一种有效的方法。作为关键的植物共生体，AMF 可以增强植物的胁迫耐受性并改善 CWs 中的污染物去除 [12]。最近的研究表明，AMF 可以通过调节植物 - 微生物相互作用和促进污染物转化来提高新兴污染物的去除 [13], [14]。在盐碱系统中，通过增强植物营养吸收、刺激根系分泌和重塑根际微生物群落，AMF 增加了污染耐受性，从而提高了湿地系统的污染物净化性能 [15]。Jiang 等人 [16] 进一步证明，AMF 接种通过富集耐胁迫微生物和提高植物抗性，增强了共污染条件下垂直流 CWs 的污染物去除。IWS 蕴藏着丰富的嗜盐微生物，具有处理高盐废水的巨大潜力 [17]。将 IWS 掺入 CWs 进一步提高了耐盐性和处理性能，磷含有机化合物的去除率高达 89.03% [18]。因此，将 AMF 与 IWS 整合为处理含多种污染物的盐碱海水养殖废水提供了一种有前景且可持续的策略。我们之前的研究表明，与单增强系统相比，AMF-IWS 强化 CWs 实现了更优越的 N 和 P 去除 [19]。然而，它们在多种共存污染物下的性能及其潜在机制仍知之甚少。为解决这些知识缺口，在两种污染物添加策略（AI：无复合污染物，AIP：有复合污染物）和两种初始盐度水平（5 和 10‰）下建立了四个 AMF-IWS 共强化 CWs，随后逐渐增加至 15 和 20‰ 以模拟高盐冲击，通过以下方式系统研究 AMF-IWS 强化 CWs 在化学和盐度复合胁迫下的韧性机制：（I）评估其在同时存在盐度梯度（5–20‰）和涉及 SMX、Cu2? 和 NO??-N 的复合污染下的处理稳定性；（II）阐明植物 - 微生物的适应反应，特别是 EPS 的保护功能和动态调节；（III）阐明盐度和复合污染物如何共同调节微生物群落组装、相互作用网络和氮转化途径。本研究为 AMF-IWS 强化 CWs 在盐度和复合污染复合胁迫下的韧性和适应机制提供了新见解，为优化人工湿地设计提供了理论基础，并支持该系统在复杂海水养殖废水处理中的实际应用。## 章节摘要### 植物和 AMF 接种选择芦苇（*Phragmites australis*）作为湿地植物。幼苗采集自武汉（30°36′27″N, 114°18′38″E）。为最小化内源性 AMF，根系用去离子水彻底冲洗并仔细修剪，仅保留三条主根。然后将幼苗移植到含有 AMF 接种物（*Funneliformis mosseae*，孢子密度：22/g）的花盆中，培养两个月，实现 53% 的根定殖率 [19]。### IWS 采集和驯化潮间带湿地沉积物采集自### NH??-N不同盐度水平下出水 NH??-N 浓度和去除率见图 2a 和图 3a。在盐度 5‰ 下，AIP5 (0.72–1.61 mg/L) 比 AI5 (0.62–1.06 mg/L) 表现出更高的出水浓度和更大的波动。在盐度 10‰ 下，AI10 和 AIP10 的浓度范围分别为 0.62 至 1.99 mg/L 和 0.81–2.19 mg/L。增加盐度（15 和 20‰）导致两个系统的出水浓度均升高，且在盐度 15‰ 时变异性更大。在### 结论本研究系统评估了 AMF-IWS 强化 CWs 在处理跨越盐度梯度（5–20‰）复合污染的 MA 废水时的处理性能和微生物响应机制，得出以下结论：（I）养分去除：集成系统在所有盐度下表现出相对稳定的 NO??-N 和 IP 去除。然而，复合污染和高盐度（15 和 20‰）的协同作用抑制了 NH??-N 氧化并导致瞬态 NO??-N### CRediT 作者贡献声明**徐周迎：** 写作 – 审查与编辑，构思。**邹建云：** 写作 – 初稿，验证，方法论，形式分析，数据整理。**张庭瑞：** 可视化，调查。**萧坤元：** 调查。**黄盛云：** 调查。**冉志瑶：** 调查。**张相玲：** 调查。**班义辉：** 监督，资源，项目管理，构思。## 利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本论文报告中工作的公正性。## 致谢本研究得到“山东省自然科学基金（ZR2022MD108, ZR2022MC218）”、中央高校基本科研业务费（WUT: 104972026KFYjc0071, 104972026KFYzxk0006）以及“大学生创新创业训练计划（S202510497252, 104972025BKS0252）”的支持。徐周迎 | 邹建云 | 张庭瑞 | 萧坤元 | 黄盛云 | 冉志瑶 | 张相玲 | 班义辉