《Journal of Hazardous Materials》：Heavy Metals at Environmentally Relevant Concentrations Enhance Antibiotic and Ammonia Removal in Constructed Wetlands
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人工湿地中重金属（Zn、As、Pb）环境相关浓度通过诱导微生物群落适应性重构，显著增强多西环素降解和氨氧化功能，其效应不依赖金属种类。该发现为多污染物协同治理人工湿地提供了新视角。
成凯福|张健|王东林|郝泽宇|赵艳辉|刘长青|刘华清|谢慧军|吴海明|胡震
中国山东省复杂多媒体污染协同控制重点实验室，山东大学环境科学与工程学院，青岛266237
摘要
作为确保水质的最后一道屏障，人工湿地（CWs）经常面临多种污染物（如金属、抗生素和营养物质）同时存在的情况。然而，环境相关浓度的重金属（HMs）如何影响污染物去除过程的机制仍不甚明了。在本研究中，环境相关浓度的重金属（Zn(II)、As(V)和Pb(II)显著增强了人工湿地中多西环素（DOX）的去除效果，并促进了氨的氧化，表明这些重金属起到了激活而非抑制的作用。质量平衡和功能基因分析显示，这种增强效应是由微生物适应性驱动的，其特征是群落组成的变化以及功能性菌类的富集。在低剂量金属压力下，携带DOX降解基因（tetX1、tetX2）和氨氧化基因的微生物得到富集。同时，金属抗性基因（MRGs）的增加以及质粒介导的水平基因转移（HGT）促进了抗性和代谢特征的共存。重要的是，不同金属下观察到的这种适应性激活效应基本独立于金属种类。这些发现扩展了我们对环境相关浓度下重金属生态作用的理解，并强调了它们调节微生物功能的潜力，为优化复杂共污染情景下的人工湿地性能提供了宝贵启示。
引言
抗生素污染及其引发的抗生素抗性已被认为是全球生态安全和人类健康面临的主要挑战之一[1]。大量抗生素在使用过程中无法被完全代谢，并通过尿液和粪便排入河流和湖泊等水体中，在那里它们可以长期存在[2]、[3]、[4]。人工湿地（CWs）作为一种基于自然的废水处理系统，由于其低运营成本和高生态兼容性，已被广泛用于抗生素污染水的修复[5]、[6]、[7]。在人工湿地中，抗生素的去除主要依赖于多种机制的结合，包括底物吸附、植物吸收和微生物降解。这些过程之间的协同作用对于实现高效去除抗生素至关重要[8]、[9]。
与此同时，全球工业化和城市化的持续增加导致大量重金属（HMs）释放到自然水体中，对人类和环境健康构成了严重威胁[10]。值得注意的是，水体中重金属的浓度范围很广。例如，锌（Zn）、砷（As）和铅（Pb）的浓度通常报告为0-21.71 mg/L、0-0.06 mg/L和0-7.5 mg/L[11]、[12]、[13]。这些重金属可以通过地表径流、河流流入或灌溉水等多种途径进入人工湿地[14]、[15]。在这些环境相关浓度下，重金属可能对微生物活动和生物地球化学过程产生长期且显著的影响[16]、[17]。
统计分析显示，抗生素和重金属在各种环境介质中的存在存在强烈相关性，这主要归因于它们高度重叠的人为来源[18]、[19]、[20]。更重要的是，它们在人工湿地中的生态行为是紧密耦合的，而不是孤立的。在环境相关浓度下，重金属已被报道对抗生素去除过程产生多种影响。一方面，重金属可以与抗生素形成复合物，可能改变其在底物或植物根际中的生物利用度和吸附行为[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。另一方面，重金属可能对微生物群落施加选择压力，从而改变与抗生素降解相关的关键功能微生物和基因的丰度[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。在人工湿地这种多污染物环境中，这种由重金属引起的群落重构可能不仅限于抗生素降解菌类，还扩展到对系统性能至关重要的其他功能群，特别是参与氮转化的菌类。具体来说，重金属可能通过调节参与硝化和反硝化作用的关键酶的表达和活性，直接影响氮转化，从而选择性地促进耐受性微生物的存活[31]。同时，某些微生物可以通过金属钝化、细胞内隔离或生物积累等机制减轻重金属的毒性，从而创造有利于其他微生物生存的保护性微环境[32]、[33]。除了这些直接影响外，人工湿地中抗生素降解和氮循环的共享微生物基础意味着重金属对抗生素去除的影响可能会波及氮转化菌类，最终干扰人工湿地中的氮转化过程。然而，关键微生物群体在环境相关重金属压力下的生态响应模式和适应机制仍不够清楚。
不同类型的重金属具有不同的物理化学性质、毒理机制和生物亲和力，这些因素反过来影响它们在人工湿地中去除污染物的作用机制。例如，铜（Cu）、锌（Zn）、钴（Co）、铁（Fe）、锰（Mn）和镍（Ni）等金属是许多金属蛋白和酶的必需微量元素，在适当浓度下，它们可能增强微生物群落的结构和功能[34]、[35]、[36]。相比之下，像铅（Pb）和镉（Cd）这样的非必需金属由于其固有的毒性和持久性，可能对微生物活动和污染物去除效率产生负面影响[37]。此外，重金属的价态也是影响其生态行为的关键因素。例如，砷在自然水环境中通常以As(V)和As(III)的形式存在。As(V)在有氧条件下更稳定，而As(III)更具毒性和移动性[38]、[39]。因此，阐明不同重金属如何在人工湿地中影响污染物去除至关重要，以便明确潜在的干扰途径和相应的系统级响应。
全面了解环境相关浓度下重金属对人工湿地生态功能的影响对于准确评估其性能和开发更具韧性的处理系统至关重要。基于此，本研究选择了多西环素（DOX）和三种重金属（Zn、Pb、As）作为目标污染物。DOX是一种广谱四环素类抗生素，由于其广泛使用和不当处置，在环境中经常被检测到[40]、[41]。Zn、Pb和As广泛存在于各种水环境中，并且通常与抗生素共存[18]、[42]、[43]。选择这些金属是为了代表不同类型的金属特性：一种必需元素（Zn）、一种非必需元素（Pb）和一种高移动性的类金属（As）。本研究的目标是：（1）阐明不同重金属压力对人工湿地系统中DOX和氮去除性能的影响；（2）揭示重金属压力下DOX降解和氮转化的主要途径和响应机制；（3）研究重金属压力对人工湿地中微生物群落结构和多样性的影响。这些发现提供了关于环境相关浓度下重金属对污染物去除影响的更深入见解，并为人工湿地的设计和优化提供了指导。
实验设置和分组设计
该实验在山东大学青岛校区（36°21′28″N, 120°41′5″E）的温室中进行。建立了5组实验室规模的人工湿地及平行实验，每组的圆柱形结构直径为15 cm，高度为30 cm（图S1）。每个人工湿地的底部填充了直径为1–3 cm的鹅卵石作为支撑层，上层则填充了直径为4–8 mm的石英砂作为湿地基质。选择了Iris pseudacorus作为植物
不同重金属对DOX去除的影响
如图1a所示，D-CW中DOX的平均去除率为88.14%，显然所有含有重金属的处理组的DOX去除率都显著高于D-CW组（p < 0.01）。不同处理组之间的DOX去除效率存在显著差异。相比之下，Zn-CW和Pb-CW的去除效率分别达到了92.13%和92.09%（p < 0.001）。As-CW组的性能也有所提高
讨论
在本研究中，环境相关浓度的重金属同时增强了DOX的去除效果，并减轻了其对氨氧化的抑制作用，从而提高了人工湿地的整体性能。这种功能激活主要是由微生物群落的适应性重构驱动的。具体来说，这些浓度的重金属起到了选择性过滤的作用，有利于硝化细菌（如和的存活
结论
环境相关浓度的重金属显著提高了人工湿地的性能，这体现在DOX降解和整体氮转化性能的明显改善上。这种功能激活主要是由微生物群落的适应性重构驱动的，导致微生物功能的普遍激活，而不是特定金属的调节效应。总体而言，这些发现强调了考虑环境因素的重要性
环境意义
环境相关浓度的重金属调节了人工湿地中的微生物过程，促进了DOX和氮的去除。这种增强主要归因于群落结构的优化和功能基因丰度的增加。在复合污染情景下，这些重金属可能通过减轻其他污染物的抑制作用，成为系统性能的“催化剂”。这些见解为重新评估重金属的生态作用和优化人工湿地的韧性提供了基础。
作者贡献声明
张健：监督、方法学、研究。王东林：可视化、方法学、数据管理。郝泽宇：可视化、验证、方法学。赵艳辉：可视化、方法学、概念化。刘长青：验证、监督、资源管理。刘华清：验证、监督、研究。谢慧军：方法学、研究、概念化。吴海明：可视化、监督、数据管理。胡震：监督、方法学、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（编号52570208、52170043、52300225）、中国国家重点研发计划（编号2021YFC3200602）以及微生物技术国家重点实验室内部联合项目基金（编号SKLMTIJP-2024-09、SKLMTIJP-2025-02）的支持。我们感谢山东大学环境科学与工程学院分析测试中心提供的技术支持。
