底栖动物多样性对人工湿地在抗生素干扰下氮去除效率和温室气体排放稳定性的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：The influence of benthic faunal diversity on the stability of nitrogen removal and greenhouse gas emissions in constructed wetlands under antibiotic disturbance

底栖生物多样性影响抗生素胁迫下人工湿地氮去除稳定性和温室气体排放机制研究。摘要：通过30种微宇宙人工湿地系统（0、1、3物种丰富度，含磺胺类药物胁迫），发现三种生物群系统硝酸盐稳定性下降，但特定物种（B. aeruginosa、C. riparius）增强氨氮和总无机氮稳定性，机制涉及植物氮吸收、关键酶（硝酸盐还原酶、NOR）及微生物群落稳定性。单物种系统通过稳定脱氮酶提高N?O排放稳定性，多功能稳定性分析表明C. fluminea系统性能较差。研究证实底栖生物多样性是人工湿地抗抗生素扰动稳定性的关键因素，为优化设计提供依据。

　　

光前光|邢明金|洪金|郑向勇|赵敏|韩文娟

温州大学生命与环境科学学院，中国浙江省温州市325035

摘要

底栖动物在人工湿地（CWs）的生态系统过程中起着关键作用，但它们对抗生素压力下氮去除稳定性和温室气体（GHG）排放的影响仍不清楚。在本研究中，我们探讨了底栖动物物种丰富度（零种、一种和三种）及其组成对抗生素压力下人工湿地氮去除稳定性和温室气体排放的影响。结果表明：（1）当物种丰富度为三种时，硝化细菌Nitrospira丰度的降低导致出水硝酸盐浓度稳定性下降。相比之下，含有Bellamya aeruginosa和Chironomus riparius的系统增强了出水铵盐和总无机氮浓度的稳定性。这种改善主要归因于植物氮吸收的稳定性提高、关键氮循环酶（硝酸盐还原酶和一氧化氮还原酶：NOR）活性的稳定，以及反硝化和有机物降解细菌群落的稳定。（2）当物种丰富度为一种时，关键反硝化酶（包括NOR和一氧化二氮还原酶）活性的提高增强了N?O排放的稳定性。此外，底栖动物的组成还调节了植物抗氧化酶、关键氮转化酶、甲基营养细菌和碳矿化相关细菌的稳定性，从而影响了温室气体排放的稳定性。（3）多功能稳定性分析进一步表明，Corbicula fluminea系统的表现相对较差，实际应用中应避免使用。总体而言，我们的发现表明底栖动物多样性是抗生素压力下人工湿地稳定性的关键决定因素，这对优化人工湿地设计和管理具有重要意义。

引言

随着城市化、集约化畜牧业和制药业的快速发展，抗生素已成为一类新的环境污染物。它们不断被排放到自然和人工水系统中[1]。抗生素可以通过多种生态途径破坏水生生态系统，包括抑制植物生长和氮积累、降低植物和底物中的酶活性，以及改变微生物群落结构和氮转化过程[2]、[3]、[4]。这些效应共同降低了污染物去除效率，并影响了整体物质循环和生态系统稳定性[2]、[3]、[4]。人工湿地（CWs）因其低成本、低能耗和生态友好性而被广泛用于废水处理[5]、[6]。然而，抗生素的普遍存在给人工湿地的净水能力和温室气体（GHG）排放动态带来了很大的不确定性[7]、[8]。先前的研究表明，抗生素会干扰微生物结构和氮循环功能[2]、[3]、[4]。尽管如此，抗生素干扰如何影响人工湿地中污染物去除稳定性和温室气体排放仍知之甚少[9]。因此，在抗生素压力下保持稳定的氮去除同时最小化温室气体排放已成为人工湿地管理的一个关键挑战。

生态系统稳定性是指生态系统在受到干扰时维持其结构和功能的能力[10]。抗性稳定性反映了系统在外部扰动下保持原始状态的能力，被广泛用作生态工程系统可持续性的关键指标[11]。重要的是，理解生态系统的多功能稳定性直接关系到人工湿地等生态工程系统在现实和高度变化的环境条件下的长期运行性能和可持续性[12]、[13]、[14]。最近的研究越来越多地关注人工湿地在各种扰动下的稳定性，特别是其对净水性能的抗性[15]。例如，在营养负荷波动、重金属污染或有机污染物压力下，出水质量稳定性往往会下降，伴随着微生物群落结构和功能表达的变化[16]。为了提高人工湿地的稳定性，提出了几种生态工程策略，包括优化植物配置以增加生物多样性、调整底物类型以提高污染物缓冲能力，以及调节水力参数以增强抗性性能[17]、[18]。然而，大多数现有方法主要关注植物-微生物相互作用；湿地中的另一个关键生态组成部分——底栖动物——受到的关注相对较少[19]。

底栖动物，如Bellamya aeruginosa、Corbicula fluminea和Chironomus riparius，通过啃食、生物扰动和生物泵送等活动在湿地系统中的物质循环和能量流动中发挥重要作用[20]。这些行为显著影响氧气渗透、有机物分解和氮转化过程，从而间接调节微生物群落结构和功能[21]、[22]。然而，由于不同的摄食策略和生物扰动强度，不同底栖物种对人工湿地过程的功能贡献可能有很大差异[20]、[23]。先前的研究表明，引入B. aeruginosa可以提高污染物去除和碳减少效率，而引入C. fluminea可以提高氮去除效率和温室气体排放缓解效果[19]、[21]。然而，大多数这些研究仅关注单个底栖物种对生态系统功能的影响，它们在外部扰动下调节系统稳定性的作用仍很大程度上未被探索。此外，关于底栖动物多样性如何影响人工湿地中关键生态功能稳定性的综合评估仍然很少。

为了解决这些空白，本研究建立了30个人工湿地微宇宙系统。实验设计包括一个无底栖动物的对照组、三种单物种底栖处理和一个三物种混合处理。每种配置都应用了两种抗生素暴露水平——有磺胺类物质暴露和无磺胺类物质暴露。实验期间，监测了出水氮浓度、温室气体排放（CH?、N?O、CO?）。同时评估了植物生物量、植物氮库、植物抗氧化酶活性、底物中的氮含量、底物中的关键氮转化酶活性、微生物群落结构以及温度、pH值、电导率（EC）和溶解氧（DO）等环境因素。本研究的目标是：（1）评估底栖动物多样性对人工湿地氮去除稳定性和温室气体排放抗性稳定性的影响；（2）通过植物氮吸收、底物氮保留和微生物氮循环过程阐明这些影响的机制；（3）确定高性能和有韧性的底栖动物配置，以优化人工湿地中的污染物减少和碳缓解。

部分摘录

人工湿地微宇宙

共建立了30个人工湿地微宇宙，并将其放置在雨棚下，以保持稳定的温度和湿度水平，防止自然降水的干扰。每个微宇宙由一个垂直方向的透明亚克力圆柱体组成，内径为20厘米，高度为60厘米。从底部到顶部，圆柱体内分别填充了10厘米厚的砾石（颗粒大小为0.6–0.9厘米）和40厘米厚的细沙（颗粒大小为0.5–1毫米）。

底栖动物多样性对出水氮浓度稳定性的影响

底栖动物物种丰富度显著影响了出水氮浓度的稳定性（图1）。在物种丰富度为一种和三种的情况下，抗生素干扰分别使出水NO??-N浓度增加了1,080.6%和577.7%，与无底栖动物的对照组相比（图1a）。同时，在物种丰富度为一种和三种的情况下，出水NH??-N的稳定性分别增加了85.2%和95.4%，而出水TIN的稳定性分别增加了66.3%和90.5%

底栖动物多样性对出水氮浓度稳定性的影响

出水水质及其稳定性是评估人工湿地功能性能的关键指标。氮去除的稳定性与植物功能特性的稳定性、底物中关键氮转化酶的活性以及微生物群落结构的稳定性密切相关，这些因素共同调节系统内的氮转化[34]、[35]。本研究发现，增加底栖动物物种丰富度

结论

本研究系统地评估了底栖动物多样性对抗生素压力下人工湿地氮去除稳定性和温室气体排放稳定性的影响。结果表明，B. aeruginosa系统在去除效率和温室气体排放缓解方面表现更优，而C. fluminea系统在污染物去除和温室气体排放缓解方面的稳定性相对较差。这是首次系统量化底栖动物多样性的调节效应

CRediT作者贡献声明

郑向勇：写作 – 审稿与编辑。洪金：写作 – 审稿与编辑，研究。韩文娟：写作 – 审稿与编辑，资金获取，概念化。赵敏：写作 – 审稿与编辑。邢明金：写作 – 审稿与编辑，研究。光前光：写作 – 审稿与编辑，初稿撰写，研究，正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（项目编号32571932）的资助。