《Journal of Water Process Engineering》：Metagenomic insights into microbial community structure and nitrogen–phosphorus removal mechanisms in estuarine wetland purification systems of Qinghai Lake
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青海湖流域人工基质-植物-微生物协同净化系统在低温高盐条件下表现出高效氮磷去除能力，结合宏基因组学分析揭示了微生物群落结构及功能基因驱动机制，其中人工基质显著提升微生物多样性，富集硝化螺旋菌、鞘氨单胞菌等关键功能菌群，植物根系微域环境增强氮代谢与碳循环通路，系统耦合优化了氮磷耦合循环过程。
作者：夏艳曦、贾佳、陈克龙、纪伟、吴晨曦
中国青海省青海师范大学地理科学学院物理地理与环境过程重点实验室，西宁，810008
摘要
河口湿地是水质的重要调节器，但在高原地区，其净化效果常常受到低温和高盐度的限制。本研究在青海湖的沙柳河和黑马河河口湿地中构建了一个综合系统，该系统结合了人工基质和本地水生植物（Potamogeton crispus、Phragmites australis 和 Myriophyllum spicatum）。通过水质监测、16S rRNA测序和宏基因组分析，阐明了微生物群落结构以及氮-磷（N-P）去除机制。该系统在低温高盐条件下表现出稳定的净化效率，在沙柳河站点实现了总氮（TN）和总磷（TP）分别70.43%和92.27%的去除率，在黑马河站点分别为66.58%和88.91%。人工基质显著增强了微生物多样性，并富集了包括Nitrospira、Sphingomonas、Nocardioides 和 Ferruginibacter在内的功能菌群，这些菌群是硝化、反硝化和有机物降解的关键驱动因素。Phragmites 和 Myriophyllum 的根际沉积物中显示出与氮代谢、氨基酸生物合成和碳循环相关的途径增加，表明植物根际主要通过支持微生物介导的转化和氧化还原调节来增强营养物质的去除。总体而言，这种基质-植物-微生物协同系统优化了微生物群落的组成和功能基因表达，从而增强了氮和磷的循环。本研究阐明了高原河口湿地中支持营养物质去除的微生物生态机制，并为设计在寒冷和高盐环境中的可持续净化策略提供了科学依据。
引言
河流和河口湿地作为连接陆地和水生生态系统的重要过渡带，在水调节、物质循环和生物多样性维持方面发挥着关键作用[1]、[2]。然而，随着城市化的不断推进和人类活动的加剧，河流系统面临着多重压力，包括污染负荷增加、水文过程改变和栖息地退化[3]、[4]。这些干扰往往导致营养物质过度积累、溶解氧减少以及微生物群落结构破坏，从而破坏生态平衡并影响水质安全[5]、[6]。传统的物理化学和生物技术可以有效地去除氮（N）和磷（P），但它们通常能耗较高、操作复杂，并且在寒冷和高盐环境中的适应性较差[7]。为了减轻水生环境的富营养化和污染，基于自然的生态恢复技术近年来成为研究重点。其中，水生大型植物由于其强大的营养吸收和转化能力，已被广泛应用于河口湿地恢复和污染物去除[8]、[9]。与这些植物相关的根际微生物形成了互利关系，促进了氮和磷等营养物质的转化和迁移[10]、[11]。此外，引入人工载体为微生物提供了稳定的附着基质，促进了生物膜的形成和微生物多样性的提高。先前的研究表明，基于载体的和植物-微生物耦合处理系统可以有效增强营养物质去除效果，相关生物膜群落和功能潜力可以通过高通量测序及相关分子方法进行表征[12]。这种协同机制提高了微生物对污染物的降解和转化能力，实现了更高效的氮和磷去除[13]、[14]、[15]。现有证据进一步表明，在构建的湿地系统中，微生物是大多数氮转化过程的直接执行者，而水生植物主要调节根际氧化还原条件、氧气释放、根系提供的碳以及微生物栖息地质量，同时也有有限的直接营养吸收作用[7]、[16]。
青海湖流域是中国典型的内陆高原生态系统，其河流河口湿地具有高盐度、低温度和独特的生物群落特征。该地区的本土微生物长期适应了极端环境条件，表现出稳定的群落结构和独特的代谢功能[17]、[18]。在这种生态背景下，构建一个综合的“人工载体-本地水生植物-微生物”协同净化系统不仅可以提高湿地中氮和磷营养物质的去除效率，还可以促进功能微生物群落的结构优化，从而在污染物降解和生态功能恢复方面实现协同效益[19]。近年来，宏基因组学的快速发展为阐明湿地生态系统中微生物群落的结构和功能提供了有力工具[20]、[21]、[22]、[23]。通过对各种环境样本（如入流水、生态基质、植物根际沉积物和人工填料）进行高通量测序，可以系统地揭示微生物群落的组成特征、功能潜力和环境响应。这些见解为优化河口湿地净化系统的设计提供了理论指导。然而，许多关于湿地营养物质去除机制的研究是在受控实验条件下或使用合成废水进行的，而来自高海拔寒冷高盐环境真实河口的实地证据仍然有限[7]、[16]、[24]。
尽管植物-微生物协同系统在污染物去除方面的潜力已经得到充分证明，但关于不同人工载体-植物组合如何在高原寒冷高盐条件下调节微生物群落演替、功能响应和营养物质转化的全面研究仍然有限[16]、[24]。最近的研究表明，植物种类和基质特性分别调节微生物群落结构和功能；然而，它们对微生物组装过程和营养物质去除途径的交互作用仍不明确，尤其是在复杂环境条件下[25]、[26]、[27]。本研究选择了青海湖流域的黑马河和沙柳河河口湿地作为代表性地点。这两条河流是青海湖的典型入流系统，具有明显的环境梯度和微生物异质性。先前的研究表明，它们的河口湿地在微生物群落结构和营养循环功能方面存在显著差异[1]、[17]，这表明它们适合研究高原河口湿地中的植物-载体-微生物相互作用和营养物质去除机制。构建了示范规模的净化系统，并结合了水物理化学监测和宏基因组分析，以阐明不同植物-载体组合下的氮和磷去除机制及其相应的微生物群落响应。通过将现场规模的净化效果与群落和功能分析相结合，本研究旨在弥合以机制为导向的湿地研究与极端高原环境中的实际生态净化应用之间的差距。本研究的结果为青海湖流域河口湿地的生态恢复和营养物质负荷减少提供了科学依据和技术参考。
站点选择和实验设计
站点选择和实验设计
示范研究地点设在青海湖流域黑马河和沙柳河河口附近（图1A）。黑马河示范区长度为53.5米，宽度为20米，面积约为1070平方米，周围是天然草地。在该区域内每隔1米建造了七个净化池（P1–P7）（图1B和1D）。这些池子的功能划分如下：（1）P1–P2被设计为示范区的水质动态和营养物质去除效率
在采样期间，黑马河（HMH）和沙柳河（SLH）示范区的进水水质存在明显差异（图2A、2B）。在HMH区域，水温在10至20°C之间，水体呈弱碱性。随着净化系统的逐渐稳定，溶解氧（DO）浓度稳步上升，而电导率（EC）保持在500至700 μS/cm之间。相比之下，SLH区域的水温人工载体-植物-微生物协同系统对氮和磷去除效率及生态稳定性的提升
研究表明，由人工载体和本地水生植物组成的协同净化系统在青海湖流域的寒冷高盐条件下保持了较高的氮和磷去除效率。在沙柳河（SLH）示范系统中，总氮（TN）和总磷（TP）的去除效率分别达到了70.43%和92.27%，而黑马河（HMH）系统也保持了较高的营养物质去除水平。结论
本研究在青海湖的沙柳河和黑马河河口湿地中构建了一个结合人工基质和本地水生植物的协同净化系统，提供了对寒冷高盐条件下支持氮和磷去除的微生物机制的全面宏基因组评估。该系统表现出很强的运行稳定性，总氮（TN）和总磷（TP）的去除效率分别达到了70.43%和92.27%，证明了其高效性
作者贡献声明
夏艳曦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据管理，概念构思。贾佳：软件开发，方法学，概念构思。陈克龙：撰写 – 初稿，监督，资源获取，资金筹集，概念构思。纪伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，软件开发，项目管理，方法学，研究，概念构思。吴晨曦：监督，资源获取，项目管理，资金筹集，形式化利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42461018）、青海省重点研发与转化计划（2022-QY-204）、青海省科技计划（2023-ZJ-905 T）以及第二次青藏高原综合科学考察（2019QZKK0405）的支持。
