第一作者：陆佳兴博士研究生（山东大学）

通讯作者：郭子彰副研究员（山东大学）、张建教授（山东科技大学/山东大学）

论文DOI：10.1016/j.watres.2022.118232

图片摘要

近日，研究院院长张建教授课题组在《Water Research》上发表了题为“Simultaneously enhanced removal of PAHs and nitrogen driven by Fe²⁺/Fe³⁺ cycle in constructed wetland through automatic tidal operation”的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2022.118232)，论文针对人工湿地复氧效率低、有机微污染物去除效果差的技术瓶颈问题，通过调控人工湿地氧化还原环境与改良基质填料，构建了新型自动潮汐人工湿地并探究了其对多环芳烃（PAHs）和氮的去除机理。基于材料表征、污染物降解动力学、qPCR、宏基因组等手段，证实了通过虹吸、导气管在湿地内创造出交替的缺氧、好氧环境并形成了Fe²⁺/Fe³⁺循环，增强了细胞内外电子传递、传质效率，从而拓宽了湿地内的脱氮途径并提高了PAHs降解菌的丰度。

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人工湿地中氧亏、传统基质截留能力弱等问题，限制了对氮和有机污染物PAHs的去除效果。本研究通过虹吸、导气管、磁铁矿等工艺的改良，构建新型自动潮汐流人工湿地（ASCW-M），有效改善溶氧环境，并出现同步硝化反硝化、Fe(II)介导的自养反硝化等脱氮途径，提高了脱氮效果。同时，通过宏基因组学分析，ASCW-M中PAHs降解功能菌、功能基团和代谢途径大幅增加，提高了PAHs的降解效果。此外，Fe²⁺/Fe³⁺循环在促进PAHs厌氧降解中发挥了重要作用，铁还原菌和Anaerolineae bacterium之间建立直接种间电子转移通道，从而有效降解PAHs。本研究为人工湿地PAHs和氮的同步去除提供了新的认识和参考。

引言

PAHs作为一种持久性有机污染物，在环境中被广泛检测到，具有显著的“三致”效应，人工湿地作为一种生态经济的污水处理技术，在去除PAHs方面具有广阔的应用前景。然而，由于人工湿地中溶解氧的缺乏和传统基质截留能力较弱，导致对PAHs和氮的去除效果差。近年来，虽然潮汐流人工湿地被证实可有效改善氧环境，但仍然需要水泵实现“充”、“排”阶段的循环，运行成本高，限制了其工程应用。此外，现有研究对微生物介导的铁循环对PAHs去除的作用研究较少。人工湿地微生物降解对PAHs去除的贡献仍处于“黑箱”理论状态。针对上述局限性和不足，本文研发了一种自动潮汐人工湿地(ASCW-M)，探究了对PAHs和氮的潜在去除能力，量化湿地中各组分对PAHs去除途径的贡献，探讨了人工湿地中微生物介导的铁循环形成机理，从微生物机理与代谢途径等方面明确了ASCW-M高效去除PAHs和氮的关键机制。

图文导读

人工湿地系统的构建与去除效果

Fig. 1. Schematic diagram of the (A) TCW, (B) SCW, (C) ASCW and (D) ASCW-M.

Fig. 2. Overall treatment performances (A: COD; B: NH4+; C: NO3-; D: TN) in different CWs and significant analysis of B[a]P treatment performance in different CW types (E) and different C/N ratios (F) during the whole experimental period (* p<=0.05 ** p<=0.01*** p<=0.001 n.s. = no significance).

通过虹吸、导气管、磁铁矿构建了四组人工湿地系统。结果表明ASCW-M由于虹吸、导气管、磁铁矿的存在，改善了氧环境和增强了基质去除能力，产生了交厌氧和好氧交替的状态，其PAHs和氮的去除效果显著高于传统人工湿地。在运行期间，ASCW-M的NH4+和PAHs的去除效率分别高于传统人工湿地62.36-86.99%和17.99-21.21%。

质量平衡

Fig. 3. (A) Uptake of B[a]P in roots and above ground sections of plants; (B) B[a]P concentrations along the depth of the substrate; (C) Removal distribution of B[a]P in CWs.

研究认为微生物降解、基质吸附和植物吸收是去除PAHs的主要途径。人工湿地去除主要依靠微生物降解(32% - 62%)。而基质吸附率(10% ~ 25%)和植物吸收率(2% ~ 12%)相对较小。相比于传统人工湿地，ASCW-M对B[a]P的微生物贡献率提升约30%。

铁循环

Fig. 4. (A) XRD and (B) XPS of magnetite at the beginning (original) and end (anaerobic and aerobic layer) of the experiment; (C) Plant property at the start and end of the experiment; (D) Transformation and mechanism of iron cycle and in CWs.

通过表征，证实在ASCW-M出现了Fe²⁺/Fe³⁺循环并且在好氧层产生了FeOOH并在水生植物的根表面以铁膜的形式积累，促进了对B[a]P的去除。此外，传统人工湿地植物根系受到B[a]P胁迫严重，导致了养分吸收能力的下降，然而ASCW-M的植物并未出现明显胁迫。

微生物作用机理和功能代谢途径分析

Fig. 5. Relative abundances of top 10 phylum in theaerobic (A) and anaerobic (B) layer; Relative abundances of functional generain the aerobic (C) and anaerobic (D) layer (Pseudo: Pseudoxanthomonas, Chry: Chryseobacterium, Pesu: Pseudomonas, Hrdro: Hydrogenophaga, Dech: Dechloromonas, Rub: Rubrivivax, Naka: Nakamurella); Heatmap at species level in the aerobic (E) and anaerobic (F) layer.

Fig. 6. Relative abundances of KEGG in (A) aerobic and (B) anaerobic layer; Distribution of the key enzymes predicated by KEGG involved in oxidative phosphorylation (KEGG map 00190) of differences CWs in (C) aerobic and (D) anaerobic layer. The bar represented different CWs. The signal intensity of each enzyme was normalized by therelative abundance of all detected gene sequences in each CWs substrate sample. The percentage represents the normalized total intensity of the functional enzyme.

微生物机理证明ASCW-M中PAHs的关键降解菌Pseudoxanthomonas的丰度（5.8%）显著高于传统人工湿地（0.8%）。Fe²⁺/Fe³⁺循环在铁还原菌和Anaerolineae bacterium之间建立直接种间电子转移(DIET)的电子通道，促进了PAHs的厌氧降解。此外，通过属水平的分析也证明了同步硝化反硝化、Fe(II)介导的自养反硝化的存在，解释了ASCW-M高效的PAHs和氮的去除效果。功能代谢途径分析证明氮转化中起重要作用的谷氨酰胺合成酶(EC:6.3.1.2)丰度在ASCW-M中显著提升，此外，氧化磷酸化（产生ATP的主要过程）反应中的关键酶在ASCW-M中的丰度也显著高于其他三组人工湿地，这也间接说明ASCW-M微生物不受B[a]P的影响，可以产生更多的ATP来降解B[a]P。微生物和功能代谢途径分析证实了合理的解释了ASCW-M中PAHs和氮的高效降解能力。

小结

本研究提出了一种新型自动潮汐流人工湿地(ASCW-M)，并探讨了其对PAHs和氮的去除效能和机理。研究结果表明ASCW-M有效改善系统氧环境、形成Fe²⁺/Fe³⁺循环，提高微生物的丰度与种类以及胞内外电子传递效率，大幅促进了湿地对PAHs和氮的去除性能。宏基因组从微生物、功能代谢途径两方面揭示了ASCW-M高效去除PAHs和氮的机制并提出Anaerolineae bacterium是铁基质人工湿地在厌氧环境下的PAHs降解关键微生物。该工作为设计和应用人工湿地去除水体营养物质和PAHs提供了重要的认识。

参考文献：

J. Lu, Z. Guo, Y. Pan, M. Li, X. Chen, M. He, H. Wu, J.Zhang, Simultaneously enhanced removal of PAHs and nitrogen driven by Fe²⁺/Fe³⁺ cycle in constructed wetland through automatic tidal operation, Water Research, (2022) 118232

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135422001956

（报道转载于Environmental Advances公众号）