两种人工湿地对农业径流中阿特拉津（atrazine）的响应机制比较：不同的去除效率及生态生理策略

《Bioresource Technology》：A mechanistic comparison of two constructed wetlands responding to atrazine in agricultural runoff: Divergent removal efficiencies and eco-physiological strategies

农业非点源污染中，两种人工湿地系统（水平潜流湿地HSFCW和表面流湿地SFCW）对atrazine及常规污染物的去除效能差异显著。HSFCW通过降低水力负荷率（HLR）有效恢复COD（76.85±12.82%）、TP（81.97±2.87%）和NH4+–N（54.14±4.11%）去除效率，而SFCW恢复有限。HSFCW依赖植物吸收、基质吸附及抗性微生物（如Luteimonas）协同作用，SFCW则主要依赖光合产氧和微生物降解。研究揭示了不同湿地类型对atrazine污染的响应机制及优化方向。

　　

白少远|黄玉彤|秦兰倩|丁彦莉|张琴|何铁光|曾成成|苏天明|徐丹丹

桂林理工大学环境科学与工程学院及广西环境污染控制理论与技术重点实验室，中国桂林541004

摘要

本研究构建了两种人工湿地（CWs）：一种为水平潜流型人工湿地（HSFCW），另一种为表面流型人工湿地（SFCW），旨在评估它们在去除非点源污染中的阿特拉津和常规污染物方面的性能及其作用机制。引入阿特拉津后，两种湿地对COD、TP和NH₄⁺-N的去除效率均显著下降。值得注意的是，当减小水力负荷率（HLR）时，HSFCW的去除效率显著恢复，COD（76.85?±?12.82%）、TP（81.97?±?2.87%）和NH₄⁺-N（54.14?±?4.11%）的去除率达到了或超过了无阿特拉津情况下的基线水平。相比之下，SFCW的去除效率仅部分恢复，仍低于引入阿特拉津前的水平。尽管SFCW和HSFCW的阿特拉津去除效率分别达到了50.83?±?4.86%和59.33?±?7.50%，但它们的去除机制有所不同。在SFCW中，光合作用产生的氧气和微生物降解是关键因素；如Rhodoplanes等光合细菌在贫营养条件下促进了有机化合物的去除，并通过创造好氧环境促进了NH₄⁺-N的氧化。由于SFCW的代谢网络较为简单，其在受到冲击负荷或污染物影响时恢复能力较弱。而在HSFCW中，植物吸收、基质吸附、微生物分解以及系统的抗逆性发挥了重要作用。抗逆细菌（Luteimonas、Crenothrix、Sediminibacterium）使得HSFCW在污染物压力下仍能保持对阿特拉津和常规污染物的高效去除。本研究还鉴定出了四种阿特拉津降解中间产物，并提出了可能的代谢途径。这些发现为优化人工湿地设计以减轻非点源农业污染提供了重要启示。

引言

在过去十年中，非点源（NPS）污染已成为全球各国面临的重要环境挑战，无论其经济发展水平如何。由于人类活动的多样化，NPS污染向环境中引入了双重负担：传统的磷和氮污染物，以及来自药品和个人护理产品的新兴污染物。这些污染物严重影响了土壤和地表水的质量。农业用地的污染径流是非点源污染的主要来源，且问题日益严重（Yi等人，2020年）。人们越来越担心农药的使用会对地下水和地表水产生不利影响。2022年全球农药使用量达到3.7×10⁶吨，比2021年增加了4%，过去十年增长了13%（FAO，2022年）。虽然农药的使用提高了粮食产量，但其潜在风险往往被忽视。

阿特拉津（2-氯-4-乙氨基-6-异丙氨基-1,3,5-三嗪）是一种全球广泛使用的除草剂，用于控制多种阔叶和草本杂草。目前，中国每年使用阿特拉津的数量约为1000万至1500万公斤，预计每年还将增长约20%（黄等人，2020年）。由于其大量应用和高流动性，阿特拉津经常在农业径流中被检测到。长江三角洲地区阿特拉津的检出率为57.7%（Dou等人，2020年）。阿特拉津分子的结构，尤其是其环上的取代基，阻碍了微生物的降解。因此，阿特拉津的降解速度相对较慢。由于其性质（低K_d和K_ow），它会在地表水和地下水之间迁移和转化（Chandra和Usha，2021年）。人类接触阿特拉津可能导致健康风险，如眼睛和皮肤刺激以及内分泌系统影响（Ahmad等人，2022年）。现有的农业废水处理方法（包括污水处理厂、化学净化和膜技术）存在成本高、二次污染风险以及污染物去除效果不佳等缺点。因此，探索有效的阿特拉津去除方法对于改善农业径流污染至关重要。

人工湿地（CWs）是一种工程化的低成本废水处理系统，利用植物、基质（如土壤、沙子、砾石）和微生物群落在浅层床（通常深度小于1米）中的协同作用，通过自然过程净化水。在水平潜流型人工湿地（HSFCW）中，废水从表面下方引入，水平流经多孔介质层和植物根区从而得到净化。HSFCW的设计有助于防止堵塞，确保稳定的水流和处理效果，并通过将废水保持在表面以下来减少异味，使其适用于城市地区（Arivukkarasu和Sathyanathan，2024年）。HSFCW在处理纺织废水（Amasa等人，2025年）或含农药的废水（Ruan等人，2024年）方面表现出更好的修复潜力，这归因于植物生长旺盛和细菌繁殖有利。然而，也有研究表明HSFCW的温室气体排放潜力高于SFCW，因此需要适当管理以减轻环境影响（Chachar等人，2025年）。在表面流型人工湿地（SFCW）中，水暴露在空气中，并在植物茎部和淹没的根系之间流动（Kadlec，2009年），因此SFCW的处理效果直接受水力条件影响。水动力学和流动模式影响废水在湿地中的停留时间和空间分布。SFCW更接近自然湿地，通常用于处理大量废水而不易堵塞，而HSFCW则因其更好的沉淀、过滤、化学沉淀、吸附和微生物作用而更适用于高浓度废水的处理。

近年来，人工湿地受到研究人员的高度关注，用于处理废水流中的新兴污染物。Matamoros等人（2011年）分析了人工湿地处理非点源废水中各种药物的能力。目标化合物（布洛芬、咖啡因、羧基布洛芬、羟基布洛芬和水杨酸）的去除效率均超过95%。SFCW可以去除污水中的农药，从而降低其生态风险，但处理效果取决于农药类型：除草剂（67.35%）>杀虫剂（60.13%）>杀菌剂（53.22%）（Ruan等人，2024年）。尽管关于流动模式对人工湿地性能影响的研究较少，但对其机制的理解更为有限（Chachar等人，2025年）。不同类型人工湿地中的植物吸收能力和微生物群落仍需进一步研究。

在湿地环境中，除草剂的去除通过物理、化学和生物过程实现，如滞留、沉淀、吸附、植物吸收和微生物分解（Lv等人，2017年）。植物通过根系分泌物和根茎释放氧气为根际微生物创造有利条件（Imfeld等人，2013年）。阿特拉津会通过根系吸收并向上传输，导致光系统II（PSII）的减少（Bai等人，2015年）。PSII电子传输的减少会抑制叶绿素转化，最终破坏蛋白质、脂质和色素（Alam等人，2021年）。阿特拉津对湿地植物的影响及其在表面径流中的迁移和转化机制尚不明确（Singh等人，2025年）。

本研究旨在探讨两种不同流型人工湿地（SFCW和HSFCW）对农村径流中阿特拉津的去除效果。主要研究目标如下：（1）明确阿特拉津对两种人工湿地污染物去除效率的影响。（2）优化两种人工湿地处理非点源污染的水力负荷率。（3）确定有效去除阿特拉津污染物的关键因素（植物、基质或微生物）及代谢途径。（4）揭示两种人工湿地系统中阿特拉津的降解机制。本研究为人工湿地在净化农业废水方面的应用提供了重要证据。

人工湿地的构建和实验设置

在桂林理工大学校园内建立了两个试点规模的混合人工湿地：水平潜流型人工湿地（HSFCW）和表面流型人工湿地（SFCW）。两种系统均使用玻璃纤维罐（尺寸为2.0米×1.2米×1.0米）建造，并填充了粒径为2.0–4.0厘米的石英砂。HSFCW和SFCW的基质深度分别为80厘米和50厘米。

阿特拉津对人工湿地性能的影响

图2展示了HSFCW和SFCW系统在去除常规污染物方面的对比性能。在未暴露阿特拉津的初始阶段，HSFCW对COD（66.92?±?14.73%）和TP（80.79?±?8.87%）的去除效率优于SFCW（分别为56.49?±?16.28%和76.61?±?15.76%）。这种性能提升可归因于...

结论

HSFCW在去除COD（66.92?±?14.73%）和TP（80.79?±?8.87%）方面的效率显著高于SFCW，而SFCW在去除NH₄⁺-N（35.22?±?8.33%）方面具有明显优势。阿特拉津的添加对两种系统均产生了抑制作用，但降低水力负荷率有效缓解了这种抑制并部分恢复了系统性能。对两种系统中植物、基质和微生物的机制分析证实了...

CRediT作者贡献声明

白少远：写作 – 审稿与编辑。 黄玉彤：实验研究。 秦兰倩：方法学设计。 丁彦莉：项目监督与管理。 张琴：数据验证与监督。 何铁光：数据分析。 曾成成：项目监督。 苏天明：软件应用。 徐丹丹：初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了广西自然科学基金（2024GXNSFBA010343）、广西重点研发计划（GuikeAB22080103、GuikeAB22080067）、国家自然科学基金（52260024、52360024）的财政支持。