丛枝菌根真菌通过植物介导的微生物功能转变稳定人工湿地中富铵氮去除

《Water Research》：Arbuscular mycorrhizal fungi stabilize ammonium-rich nitrogen removal in constructed wetlands through plant-mediated microbial functional shifts

　　

丛枝菌根真菌（AMF）正越来越多地被提议作为一种低能耗强化人工湿地（CWs）的手段，但其效益是否依赖于进水氮形态尚未得到验证。研究人员在等氮负荷条件下，比较了接种与未接种AMF的人工湿地处理三种进水氮形态的效果。以黄菖蒲（Iris pseudacorus）种植的人工湿地接种根内根孢囊霉（Rhizophagus irregularis）（AMF+）或不接种（AMF-），并分别供给仅NO₃^-（N1）、仅NH₄⁺（N2）或NO₃^-/NH₄⁺混合（N3）的等总氮进水。与AMF-相比，AMF+系统表现出更高的植株高度和叶绿素含量，SOD/POD活性提高30–70%，MDA含量和O₂^·-产生速率降低30–50%，尤其在N2和N3条件下。在N2条件下，AMF阻止了总氮去除性能的崩溃（83%对比26%），并降低了出水NH₄⁺-N浓度（约3对比约9 mg N L^-1）。在N3条件下，AMF维持了约88%的总氮去除率（对比72%）。选择性NH₄⁺-N积累且出水NO₂^--N和NO₃^--N可忽略不计，表明氨氧化能力降低是N2条件下的主要瓶颈。仅在N2条件下观察到显著的AMF相关群落分离（ANOSIM R = 0.77，p = 0.03），伴随更高的氨氧化和亚硝酸盐氧化潜力（log2FC = 2.20和3.99），以及amoABC、hao和nxrB的宏基因组丰度增加。PLS-PM解释了氮去除性能68%的变异，并确定氮循环功能潜力为其最强的正相关因子（β = 0.81），而显著的定殖–植物和植物–微生物组路径强调了所提出关联框架中宿主生理维持的作用。总体而言，AMF的效益与氮形态特异的瓶颈更为紧密相关，而非定殖强度，支持其在不同情境下应用于稳定低能耗人工湿地处理富铵或组成多变废水的氮去除。

**丛枝菌根真菌稳定人工湿地富铵氮去除的植物-微生物级联机制研究解读**

**1. 研究背景与问题**

全球人为氮循环扰动已构成对内陆和沿海水体的行星边界级威胁，河流总氮负荷在1900至2010年间从27 Tg N yr^-1增至68 Tg N yr^-1。溶解性无机氮中，铵（NH₄⁺）和硝酸盐（NO₃^-）是农业径流、废水排放和大气沉降的主要还原与氧化形态。人工湿地（CWs）作为一种自然解决方案，虽能耐受进水波动且能耗低，但其长期总氮去除效率通常仅为40–70%，且强烈受进水氮形态制约。硝酸盐去除依赖异养反硝化，需易降解有机碳和缺氧微域；铵去除依赖自养硝化，需持续供氧和生长缓慢的硝化菌群。传统工程干预如人工曝气和外加碳源虽可强化去除，但存在能耗高、运行维护复杂、药剂成本持续投入等问题。以植物为中心的生物强化有望利用根际作为氧和碳可利用性的适应性界面，而丛枝菌根真菌（AMF）接种可在此框架下发挥作用。然而，既有研究存在三大不足：单一氮形态或混合进水无法识别是铵氧化还是后续硝酸盐去除限制性能；缺乏跨氮形态的受控比较，无法区分AMF效益源于定殖强度还是特定氮形态胁迫下的植物生理维持；AMF相关的微生物重塑很少与氮形态及路径分辨的氮循环潜力整合。因此，亟需在等总氮负荷下系统解析AMF对不同进水氮形态的处理效益及其微生物机制。

**2. 研究设计与技术方法**

研究人员采用2×3析因设计，以AMF接种（接种/不接种）和进水氮形态（仅NO₃^--N、仅NH₄⁺-N、混合N）为两因素，构建垂直潜流人工湿地（VSSF-CW）微宇宙系统。供试植物为黄菖蒲（*Iris pseudacorus*），AMF接种物为商业菌剂*Rhizophagus irregularis*（BEG140），设置AMF+（活菌接种）与AMF-（灭菌接种物加背景微生物滤液）对照，每个处理4个独立重复。进水总氮浓度维持在约30 mg N L^-1，系统采用7天批式接触运行。主要技术方法包括：水质分析（TOC/TN分析仪、离子色谱、靛酚法测铵）、植物生理指标测定（SOD、POD、MDA、O₂^·-、叶绿素、可溶性蛋白、NR/NiR活性）、AMF定殖参数定量（MYCOCALC程序）、宏基因组测序（Illumina NovaSeq 6000，PE150）及生物信息学分析（NR_meta、KEGG、NCycDB数据库注释）、多元统计（双因素方差分析、ANOSIM、LEfSe、Mantel检验、偏最小二乘路径模型PLS-PM）。样本来源于捷克生命科学大学实验微宇宙系统。研究未涉及人类受试者队列。

**3. 研究结果**

**3.1 不同进水氮情景下AMF定殖与宿主生理响应**

AMF在三种氮形态下均成功定殖于黄菖蒲根系，但定殖水平受进水氮形态调节。N1+AMF最终定殖最高（M%为23.23%），而N2+AMF和N3+AMF定殖较低（M%分别为7.43%和10.77%）。AMF接种显著提高植物株高、总叶绿素和可溶性蛋白含量，尤其在N2和N3胁迫条件下降低MDA含量和O₂^·-产生速率，并提高SOD和POD活性1.3–1.7倍。NR和NiR活性仅在含硝酸盐的N1和N3处理中提升。

**3.2 AMF对不同进水氮情景下氮去除及氮物种分配的影响**

N1条件下，接种与不接种系统TN去除均保持80%以上。N2不接种系统出现持续恶化，TN去除从约83%降至26%，出水NH₄⁺-N逐渐积累至约9 mg N L^-1；而N2+AMF维持出水TN在4–6 mg N L^-1，去除率近80%，且NH₄⁺-N保持在约2.6–3.5 mg N L^-1。N3不接种系统去除率从92%降至72%，而N3+AMF维持约88%。选择性NH₄⁺积累而无NO₂^-和NO₃^-积累，表明N2主要瓶颈为氨氧化能力下降。N2+AMF后期出水电势（ORP）显著更高，pH略低。

**3.3 不同进水氮情景下AMF相关微生物群落变化**

AMF处理维持了更高且更稳定的物种丰富度指数（Chao1）。Bray-Curtis PCoA和ANOSIM显示，N1与N1+AMF群落分离弱且不显著（R=0.19，p=0.062），而N2与N2+AMF分离强烈（R=0.77，p=0.03）。差异丰度分析显示，放线菌门相关属（*Phycicoccus*、*Arthrobacter*、*Nocardioides*等）在AMF+系统中一致性富集，而*Acinetobacter*显著降低。LEfSe分析确认N2+AMF的生物标志物包括放线菌纲、微球菌目、*Arthrobacter*、*Phycicoccus*、红环菌目和*Nitrospira*，而*Aeromonas*则表征未接种N2。Mantel分析显示AMF响应属与无机氮形态、植物生长和抗氧化指标显著相关。

**3.4 氮循环功能潜力的宏基因组证据**

NCycDB注释显示，AMF+系统在含铵进水条件下显著提高关键硝化基因（*amoA*、*amoB*、*amoC*、*hao*、*nxrB*）的归一化丰度。N2条件下，氨氧化（NH₄⁺→NH₂OH）和亚硝酸盐氧化（NO₂^-→NO₃^-）的宏基因组潜力分别提升log2FC=2.20和3.99。N3条件下也分别提升2.50和1.64。此外，*narG*、*napA*、*nirK*、*nirS*等硝酸盐/亚硝酸盐还原基因在AMF+系统中富集，表明下游反硝化潜力得到维持。通路模块评分显示AMF+系统在铵同化、硝化相关步骤和硝酸盐/亚硝酸盐还原模块维持更高潜力。

**3.5 连接AMF定殖与氮去除的植物-微生物组整合途径**

PLS-PM模型解释了氮去除性能68%的变异和氮循环功能潜力76%的变异。进水NH₄⁺占比与氮去除显著负相关（β=-0.88），并与AMF定殖和植物生理状态负相关。AMF定殖与植物生理状态正相关（β=0.68），植物生理状态与微生物群落变化正相关（β=2.46），微生物群落变化与氮循环功能潜力正相关（β=0.51），氮循环功能潜力与氮去除性能正相关（β=0.81）。AMF定殖或植物状态对氮循环潜力的直接路径不显著，支持通过微生物群落重塑的间接关联。分类群-基因相关分析显示*Nitrosomonas*和*Nitrospira*与氨氧化和亚硝酸盐氧化基因（*amoA*、*amoB*、*amoC*、*hao*、*nxrB*）正相关。

**4. 总结讨论**

讨论部分指出，AMF效益与定殖强度脱钩，功能改善最强的N2+AMF系统定殖指标反而最低，表明中等的AMF定殖足以触发植物胁迫保护。AMF通过降低宿主氧化损伤、提高抗氧化酶活性来维持植物生理健康，该效应依氮形态而调整。瓶颈匹配机制解释了为何AMF效益在纯铵进水时最大：铵主导条件下硝化菌生长缓慢且缺乏平行路径缓冲，氨氧化成为限速步骤。AMF通过重塑根际微生物群落（特别是富集放线菌并抑制快速生长异养菌）改变竞争结构，而非增加总碳供应，从而为自养硝化菌创造更有利的生态位。宏基因组证据表明，氨氧化和亚硝酸盐氧化潜力的显著提升（*amoABC*、*hao*、*nxrB*）与出水氮形态变化一致。PLS-PM进一步揭示了“AMF定殖→植物生理维持→微生物群落重塑→氮循环潜力提升→氮去除稳定”的级联关联框架，其中氮循环功能潜力是氮去除的最强正相关因子（β=0.81）。研究结论认为，AMF并非通用的氮去除增强剂，而是植物介导的微生物调节者，其价值取决于能否缓解主导的生化限制。该AMF-CW配置展现出对不同进水氮形态的适应性，可推广至垃圾渗滤液、农业径流和混合二级出水等实际废水处理场景。