《Sustainable Chemistry One World》：Plant-driven microbial community dynamics regulate treatment performance in constructed wetlands
编辑推荐：
摘要本研究调查了植物和新型基质材料（土质废弃陶罐）对人工湿地（CWs）中微生物群落动态的影响及其在废水处理中的作用。为了解植物的详细机制和影响，研究使用5座垂直流人工湿地，采用不同植物物种，即：a）美人蕉（CWA），b）黄菖蒲（CWB），c）柠檬草（CWC），d）千年木（CW
摘要
本研究调查了植物和新型基质材料（土质废弃陶罐）对人工湿地（CWs）中微生物群落动态的影响及其在废水处理中的作用。为了解植物的详细机制和影响，研究使用5座垂直流人工湿地，采用不同植物物种，即：a）美人蕉（CWA），b）黄菖蒲（CWB），c）柠檬草（CWC），d）千年木（CWD），以及e）未种植对照。结果表明，功能基因（包括amoA、nirK、nirS和narG）与环境参数之间存在显著相关性（r2 = 0.61，p < 0.1），根据冗余分析（RDA），微生物群落分布的变异度为94.54%。研究发现，所有反应器对COD、NH??、NO??和PO?3?的去除效率存在显著差异（p ≤ 0.05），分别为76.9%（CWA）、57.2%（CWA）、38.4%（CWD）和47.7%（CWB）。显著的是，美人蕉种植的人工湿地表现出最优良的植物特性。此外，整体较高的COD去除率可能由碳循环基因驱动，与氮和磷降解基因相比，碳循环基因最为丰富。因此，研究结果强调了植物特异性微生物群落和功能途径在污染物转化中的作用，为合理植物选择和微生物途径靶向提供了科学依据，从而推进设计高弹性和高效人工湿地。
引言
由于废水产生与处理之间的差距不断扩大，近年来不断增加的污染问题已引起广泛关注。未经处理的废水直接排放到水体中对生态系统健康构成严重威胁。此外，传统处理设施能耗大、成本高、占地面积广，不适合现场分散式应用。相比之下，人工湿地（CWs）被认为是低成本、低能耗且无化学品的自然基解决方案，用于处理污染负荷。植物-微生物互作关系和基质介质的媒介作用共同影响了人工湿地的处理性能（[15]、[43]、[59]）。在各种设计中，垂直流人工湿地（VFCWs）提供了优越的传氧和水利效率，促进了好氧和缺氧微区域的共存，从而实现COD、氮（N）和磷（P）的联合去除。污染物去除效率在很大程度上受根际微生物组中代谢多样性的调控。此外，放线菌门（Actinomycetota）和拟杆菌门（Bacteroidota）与复杂碳基质的降解有关，增强了COD的矿化作用（Chen等，2023），而厚壁菌门（Firmicutes）在低氧条件下驱动发酵和反硝化过程（Li等，2022）。此外，变形菌门（Proteobacteria）包含完全硝化-反硝化和磷酸盐循环的关键功能基因，而计划菌门（Planctomycetes）则专用于厌氧氮去除（[47]；Zheng等，2024）。因此，微生物多样性通过影响垂直流人工湿地中碳-氮-磷循环的主导途径发挥着重要作用。
尽管垂直流人工湿地已得到广泛应用，但在微生物途径水平上的污染物去除机制基础仍缺乏深入了解。人工湿地中的碳降解一般由异养微生物活性驱动，但主要的碳去向途径——从同化脂肪酸生物合成（Fab）到氧化异养反硝化——取决于人工湿地中的氧化还原微梯度和植物-微生物相互作用（Zhang等，2023；Tian等，2024）。类似地，氮去除取决于硝化和反硝化过程，受包括amoABC、narG、nirS/nirK、norBC和nosZ在内的关键生物标志功能基因调控。同样，磷酸盐去除受pho调控子基因表达和多聚磷酸盐代谢（ppk/ppx）之间的相互作用支配（Huang等，2022；[10]）。近期研究强调，植物物种选择通过调控根际氧气释放、分泌物组成和微量营养素可利用性，显著塑造代谢分配，形成有利于特定微生物类群和功能基因网络的生态位（Guo等，2023；[30]）。然而，将植物驱动的微生物群落变化联系起来的研究有限。例如，在满负荷杂交人工湿地中观察到美人蕉（Canna indica）和香蒲（Cyperus alternifolius）之间微生物群落和氮去除基因的差异，包括narG、nirS和nosZ等反硝化基因的物种特异性差异[48]。类似地，垂直流人工湿地中不同植物物种与不同的微生物群落结构和COD及氮去除差异相关联，表明植物身份可影响微生物介导的处理过程[5]。最近，美人蕉（Canna indica）、芦苇（Zizania latifolia）和睡莲（Nelumbo nucifera）的比较研究表明，植物特异性的根际条件改变了与氮和磷循环相关的微生物多样性、网络复杂性和功能潜力，导致COD、TN和TP去除差异[18]。这些发现表明，植物驱动的微生物群落转变是植物物种调控人工湿地性能的重要途径；然而，植物身份、微生物群落重组、功能基因以及同时去除COD、N和P之间的机制关系仍不充分阐明。
为弥补这些研究空白，本研究评估了四种植物介导的人工湿地——美人蕉（CWA）、黄菖蒲（CWB）、柠檬草（CWC）和千年木（CWD），以及未种植对照。通过整合：(i) 连续监测COD、氨氮、硝酸盐和磷酸盐的去除以确定植物特异性的处理性能；(ii) 基于16S rDNA的微生物群落分析和功能预测；以及(iii) 冗余分析（RDA）以识别环境驱动因子、微生物群落与污染物去除性能之间的关联。此外，这种综合方法提供了植物特异性微生物群落和基质过滤介质如何支配碳-氮-磷循环的机制理解。所获得的见解为合理植物选择和微生物途径靶向提供了科学依据，从而推进设计高弹性和高效人工湿地。
各节摘要
人工湿地装置搭建
在印度北方邦卢克讷尔理工学院水电与可再生能源系建立了5座垂直流人工湿地（高度47.5 cm，直径约7 cm），该地位于北纬29.839267°、东经77.893203°。该地区的年平均温度和降水量分别为23°C和85.6英寸。所建立的反应器分别为：人工湿地——美人蕉（CWA）、黄菖蒲（CWB）、柠檬草（CWC）和千年木（CWD），以及未种植对照。植物物种的选择基于其
人工湿地中的COD去除动态
整个实验期间各垂直流人工湿地单元的COD浓度动态变化如图1A所示。实验期间，进水COD浓度保持在225±22.5 mg/L。实验期（3个月）分为三个运行阶段。在整个监测期间，CWA、CWB、CWC和CWD的平均COD去除率分别为76.9%、75.9%、73.6%和76.5%，出水COD浓度分别为49.0 mg/L、53.0 mg/L、58.0 mg/L和49.5
结论
综合研究表明，植物物种、微生物群落组成、基质过滤介质和营养循环基因表达之间的相互关系对于人工湿地中高效的污染物去除至关重要。与未种植对照相比，种植人工湿地（CWA、CWB、CWC和CWD）表现出较高的COD、氨氮、硝酸盐和磷酸盐去除率。值得注意的是，Actinobacteria、Firmicutes、Proteobacteria、Patescibacteria、Planctomycetes、Nitrospira等
CRediT作者贡献声明
Akanksha Vishwakarma：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、数据管理、概念化。Akanksha Chauhan：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、形式化分析、数据管理、概念化。Sanjeev Kumar Prajapati：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、方法论、概念化。Digvijay Verma：撰写——初稿、验证、监督、方法论、概念化。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本论文的研究经费由印度北方邦科学与技术咨询委员会（UCOST）提供，支持项目拨款（拨款编号：UCS&T/R&D-10/20-21/19072/02）以及印度卢克讷尔理工学院（IIT Roorkee）的教师启动基金（FIG）（拨款编号：HRD/FIG/100843）。第一作者感谢印度高等教育委员会（UGC）和印度教育部授予的初级研究奖学金以支持其研究。
Akanksha Chauhan|Akanksha Vishwakarma|Digvijay Verma|Sanjeev Kumar Prajapati
