综述：有毒和有害污染物如何影响人工湿地的处理性能：途径与机制综述

《Water Research》：How toxic and hazardous pollutants influence the treatment performance of constructed wetlands: A review of pathways and mechanisms

　　

随着全球对基于自然的解决方案（NbS）认可度的提升，人工湿地（CWs）被越来越多地应用于污水深度处理。然而，其设计主要针对常规污染物，而有毒有害污染物（ThPs），如抗生素、重金属和微塑料等，对长期生态稳定性的影响仍知之甚少。基于111篇文献，本综述评估了人工湿地中有机、无机和颗粒毒性污染物的去除特性，其对常规污染物去除的影响，以及相关生物和非生物组分的基础响应。总体观察到颗粒毒性污染物的中位去除效率最高，其次是无机和有机污染物。然而，高去除效率并不意味着消除了由于污染物在基质和生物膜中积累而产生的生态风险。在复杂污染条件下，总磷（TP）去除被确定为相对敏感的指示性功能，在有机、无机和颗粒毒性污染物胁迫下分别下降了14.0%、16.3%和16.2%。机制综合分析表明，有机污染物主要通过生物毒性胁迫和代谢重新分配破坏微生物代谢和养分转化。相比之下，无机污染物通过吸附竞争、污染物形态转变和氧化胁迫影响微生物功能。颗粒污染物通过改变孔隙结构、生物膜重组和限制质量传递来改变污染物迁移。这些多尺度界面扰动降低了植物-基质-微生物功能稳定性。因此，对于人工湿地优化，重点应从污染物去除强化转向通过多功能基质利用、微生物调控、根际工程和智能运行策略来维持生态功能。

引言

随着快速的城市化、工业化和农业发展，污水处理厂（WWTPs）已成为城市污水管理和水环境保护的基础设施。然而，常规污水处理工艺主要针对化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）等污染物。这些工艺对去除抗生素、微塑料（MPs）、纳米塑料（NPs）和重金属（HMs）等有毒有害污染物（ThPs）的能力有限（Lin等，2026；Yang等，2022）。由于在污水处理过程中未被完全去除，ThPs可能持续存在于污水处理厂出水并进入下游深度处理系统和受纳水体，引发对其潜在环境影响的担忧（Li等，2025a；Marfella等，2024）。例如，在污水处理厂出水中检测到6.0至589.0件·L?1的微塑料，综合生态风险评估表明所有污水处理厂出水排放点均存在中等或更高风险（Wang等，2026b）。中国污水处理厂出水中抗生素平均浓度达到311.2 ng·L?1（Wang等，2024），其中环丙沙星超过了其预测无影响浓度20 ng·L?1（OECD，2019）。同时，铬（Cr）浓度达到266.24 μg·L?1，超过了中国《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）一级中规定的六价铬限值10 μg·L?1（Li等，2025a）。这些污染物在受纳水体中的持续排放不仅增加了生态风险，还使下游深度处理系统面临复杂的污染。

作为基于自然的解决方案（NbS）的代表，人工湿地（CWs）因其生态效益、成本效益和运行简便性而被广泛应用于污水处理厂出水深度处理和削减面源污染（Koottatep等，2021）。通过整合物理、化学和生物过程，人工湿地可支持可持续水管理和生态系统恢复。传统上，人工湿地被设计用于去除常规污染物，如COD、TN和TP（Wu等，2023）。然而，污水处理厂出水中新兴污染物日益增加，凸显了评估人工湿地去除ThPs的必要性。例如，人工湿地对抗生素的去除效率范围为0.4%至99%，微生物降解是主要的去除途径（Hu等，2026）。微塑料的去除主要依赖湿地基质内的物理截留，且通常超过90%（Zhang等，2024b），而重金属的去除涉及吸附、过滤、沉淀和离子交换等多种过程（Zhang等，2024c）。尽管人工湿地能够降低各种ThPs的浓度，但其去除性能表现出高度变异，尤其是在共污染条件下（Hou等，2025；Yu等，2025）。

然而，人工湿地对ThPs的截留和去除提出了一个重要问题：污染物积累可能改变湿地的物理化学条件以及植物、基质和微生物之间的相互作用，从而通过改变基质特性、植物生理响应和微生物代谢活性，影响碳降解、氮转化和磷截留。这些扰动最终可能破坏植物吸收、基质吸附和微生物介导的氮磷转化，从而损害人工湿地的净化功能和生态稳定性。在某些特定条件下，某些污染物可能通过刺激微生物活性促进TN和TP的去除。然而，ThPs对人工湿地功能的影响仍然不一致。同一类污染物可能在不同的暴露条件下表现出促进或抑制作用。

一方面，某些污染物可能通过改变微生物生态位或加强植物、基质和微生物之间的相互作用来增强人工湿地功能。例如，药物和个人护理产品的去除可能涉及增强的植物介导过程和物理化学反应，从而提高人工湿地的水质净化性能（Hou等，2025）。老化微塑料可促进反硝化，使TN去除率提高39.4%（Zhang等，2026a）（Wang等，2023a）。另一方面，在长期暴露或共污染条件下，这些污染物可能通过抑制植物生理过程、降低微生物活性和改变微生物群落结构而成为生态胁迫因子，从而削弱人工湿地性能。例如，聚苯乙烯（PS）的存在使人工湿地的TN去除效率降低了1.6%-3.0%，同时抑制植物氮吸收、改变微生物群落结构并损害TP去除过程（Yuan等，2025）。此外，PS通过重塑微生物群落和促进抗生素抗性基因（ARGs）富集加剧了抗生素胁迫，从而在共污染条件下降低了土霉素的去除效率（Lin等，2025b）；镉（Cd）和多西环素（DC）的长期联合暴露也通过破坏微生物代谢和影响参与氮转化的功能基因，降低了人工湿地中的TN去除效率（Ma等，2023）。

共存的PS和抗生素显著抑制了土霉素的去除（Lin等，2025b）。Cd和DC的长期联合暴露也降低了人工湿地中的TN去除效率（Ma等，2023）。因此，ThPs对人工湿地功能的影响取决于ThPs的性质、暴露水平、环境条件以及植物-基质-微生物相互作用。然而，不同ThPs如何在多尺度界面上调控人工湿地中COD、氮和磷循环的机制，以及这些响应如何影响整体湿地功能，仍知之甚少。

为阐明ThPs对人工湿地功能的影响，本综述总结了三大类共七种代表性污染物的影响：有机污染物（抗生素、农药和有机磷化合物）、颗粒污染物（MPs和NPs）和无机污染物（HMs和类金属）。评估了这些污染物在人工湿地中的去除特性及其对COD、TN和TP去除过程的影响，重点关注三个功能组分（即基质、植物和微生物）。本综述讨论了不同污染物如何通过吸附位点竞争、植物胁迫响应和微生物功能改变来干扰有机物降解、氮转化和磷截留。此外，本研究阐明了人工湿地对复杂污染条件的功能响应，并提出了提高人工湿地污染物去除性能的策略。本综述为维持人工湿地功能和在复杂污水条件下实现长期运行稳定性提供了理论见解和实践指导。

章节片段

方法论

本综述采用文献检索策略，使用Web of Science、Google Scholar和CNKI检索相关研究。为提高文献筛选过程的透明度和可重复性，采用了PRISMA（系统综述和Meta分析优先报告条目）框架。进行了全面的文献检索，涵盖截至2025年10月发表的研究。检索词包括（"人工湿地"或"处理湿地"）AND...

人工湿地中ThPs的去除特性

文献综合分析揭示了人工湿地对不同ThPs去除效率的差异（图2）。对于混合污染物，汇编记录显示中位去除效率为85.4%，表明其处理复杂污染物混合物的潜力。然而，不同类别污染物之间观察到显著变异，表明污染物组成可能影响人工湿地的处理性能。颗粒污染物的中位去除效率最高（95.7%），其次是...

ThPs对基质吸附位点的竞争占据和孔结构的改变

在人工湿地中，基质作为污染物截留的关键界面，通过离子交换吸附NH4+-N、吸附和沉淀PO43-，并提供微生物附着场所。因此，这些基质的表面特性和孔隙结构调控着氮和TP去除以及生物膜介导的过程（Wu等，2023）。在常规条件下，NH4+-N主要通过阳离子交换被沸石等铝硅酸盐基质截留。相比之下，PO43-的去除...

提高人工湿地对ThP胁迫韧性的性能增强策略

人工湿地中ThPs引起的胁迫源于多尺度界面间物理化学约束与生态过程的相互作用。因此，未来人工湿地增强策略应超越单一因素优化，整合基质调控、根际调节、微生物功能优化和运行参数精化，以加强复杂污染物情景下的系统韧性。

未来展望

人工湿地在去除抗生素、重金属和微塑料等ThPs方面显示出突出潜力。然而，现有研究主要关注人工湿地的污染物去除效率和短期处理性能。相比之下，这些污染物的环境归趋、长期生态风险以及人工湿地在复杂污染环境中功能稳定性的机制仍缺乏深入研究。因此，未来研究应超越...

CRediT作者贡献声明

Fengling Zhang：概念化、数据整理、形式分析、研究、方法学、可视化、初稿撰写、审阅与编辑。
Caicai Xie：概念化、数据整理、形式分析、研究、方法学、可视化、初稿撰写、审阅与编辑。
Ying Liu：概念化、数据整理、形式分析、审阅与编辑。
Xiaohui Liu：概念化、监督、审阅与编辑、项目管理、资金获取。
Fengchang Wu：审阅与编辑。

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作者单位

教育部海洋环境与生态重点实验室，中国海洋大学环境科学与工程学院，中国青岛266100。