《Journal of Hazardous Materials》：Pyrimidine Biosynthesis Repression Fuels Cost and Survival of Trimethoprim/Sulfamethoxazole - Resistant
E. coli
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本研究通過360天管蟲增強的濕地微宇宙實驗結合機器學習分析，揭示了50 μm聚苯乙烯微塑料對濕地系統氮去除能力的影響機制。結果表明，管蟲的生物擾動重塑微環境，促進耐污功能菌群富集，使高濃度（1000 μg/L）下總氮去除率仍達82%以上，顯著優于對照組的60%。隨機森林模型（R2=0.92）有效預測了系統可持續性，為應對微塑料污染的濕地設計提供了新范式。
馬勝軍|楊 Genji|趙新月|郭夢然|王云楠|楊金毅|郝奇瑞
中國東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030
摘要
微塑料（MPs）的廣泛滲透正在削弱基于自然的治療系統的凈化能力，然而大多數現有研究僅限于短期觀察，無法揭示長期的生態動態。為了解決這一不足，本研究將一個為期360天的、添加了 Tubifex 蠕蟲的濕地微宇宙與先進的機器學習分析相結合，以揭示生態系統對 50 μm 聚苯乙烯微塑料（濃度為 100 和 1000 μg/L）的抵抗力機制。與傳統系統中通常觀察到的功能下降不同，這種增強了生物擾動的系統表現出卓越的穩態調節能力，在高負荷微塑料壓力下仍能保持高氮去除效率，總氮去除率超過 82%，顯著高于對照組約 60% 的去除率。機制分析表明，Tubifex 蠕蟲通過重塑微環境生態位來減輕污染物毒性，從而促進耐受性功能群的選擇性招募和富集，恢復整體代謝能力。此外，隨機森林模型有效彌合了生態監測中的時間差距，使得基于有限數據集的可持續性預測具有高準確性（測試集 R2 = 0.92）。這些發現共同建立了一種新的動物-微生物協同作用范式，并為在塑料圈時代設計具有抵抗力的廢水處理基礎設施提供了穩健的數據驅動框架。
引言
微塑料（MPs）作為全球關注的新興污染物[1]，[2]，由于其微小顆粒尺寸、環境持久性和生物累積潛力[3]，對水生生態系統構成嚴重威脅。MPs 通常分為初級微塑料（如顆粒和微珠）和次級微塑料（由較大塑料碎片分解而來）。全球 MPs 的排放量估計每年超過 10,000 公噸，其中農業塑料薄膜是主要來源之一[4]。如果這些薄膜使用后管理不當，它們可能通過地表徑流、灌溉回流和其他水文途徑進入人工濕地（CWs）。在人工濕地中，它們會經歷物理磨損、光化學老化和生物降解，逐漸分解為次級微塑料[5]。這些輸入和轉化過程導致廢水處理系統中的 MPs 濃度存在很大差異，根據處理階段和進水類型的不同，報告的濃度范圍從低微克到高毫克/升不等[6]。因此，作為基于自然系統的廢水處理方式，人工濕地越來越容易受到 MPs 污染。越來越多的證據表明，MPs 可以損害濕地植物的根系形態和生理功能，重塑微生物群落結構，并干擾關鍵的氮轉化途徑[7]，[8]。具體來說，機制研究表明，MPs 主要通過抑制氨單加氧酶（amoA）基因的表達來阻礙硝化作用，并通過干擾電子供體的可用性來抑制反硝化作用[9]。這些綜合效應最終可能導致人工濕地中的氮去除效率顯著下降[10]，[11]，[12]。
為了減輕人工濕地中的 MPs 污染，生物刺激策略是一種有前景的方法。Tubifex 蠕蟲是人工濕地沉積物中常見的底棲寡毛類動物，它們充當重要的“生態系統工程師”[13]，[14]。通過生物擾動，它們增強了水-沉積物界面的溶質交換和氧氣傳遞，擴大了好氧-厭氧微區，并優化了微生物群落的空間分布和代謝活動[15]。此外，Tubifex 擁有多種酶系統，并具有專門的腸道微生物組，具有轉化和降解 MPs 的巨大潛力。先前的研究表明，Tubifex 通過其腸道微生物群與其宿主代謝之間的協同作用，可以將 MPs 轉化為危害較小的小分子，同時將不溶性有機碳轉化為更易被利用的形式[16]。這一過程增加了反硝化細菌的電子供體供應，從而顯著提高了人工濕地的氮去除性能。
然而，目前的理解仍受到幾個關鍵知識空白的限制。首先，大多數現有研究仍然集中在簡化的、二元的污染物-生物體相互作用上，僅記錄了 MPs 對 Tubifex 的毒性作用或其降解能力，而忽略了人工濕地-Tubifex 復合體作為一個完整的生態單元[17]。因此，MPs 暴露的長期生態后果仍然知之甚少，特別是在生態系統層面的響應、功能韌性和在持續 MPs 壓力下的適應機制方面。此外，以往的研究大多是短期暴露實驗，不足以捕捉微生物群落演替的時間動態或可靠預測人工濕地在長時間運行下的功能可持續性[18]。
為了解決這些研究空白，本研究將人工濕地和 Tubifex 結合成一個協同實驗生態系統。利用結合高分辨率微生物群落分析、機器學習、網絡分析和結構方程建模方法的跨學科框架，我們系統評估了聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）對這一耦合系統的長期生態影響。與經常簡化復雜生物相互作用的傳統確定性模型不同，最近的進展表明，機器學習方法在解耦非線性關系和預測波動環境壓力下的系統行為方面具有更強的能力[19]，[20]。因此，將機器學習與實證數據相結合對于彌合實驗室發現與實際風險評估之間的差距至關重要[21]，[22]。具體目標包括：（1）定量闡明 PS-MPs 壓力下微生物群落組成的變化及其潛在的功能特征；（2）量化 PS-MPs 濃度與微生物介導的氮去除性能之間的劑量-反應關系；（3）利用 360 天的監測數據集構建基于機器學習的框架，通過隨機森林算法識別氮去除的關鍵預測因子并預測系統的未來狀態。這種綜合方法有望加深對濕地生態系統對 MPs 污染響應的機制理解，為生物刺激和生物強化策略提供理論基礎，并支持 MPs 影響環境中的定量風險評估，同時為廢水處理、微生物生態學和環境工程提供科學和實際進展。
部分摘錄
Tubifex 的準備
從中國黑龍江省哈爾濱的一個園藝市場購買了長度為 15-20 mm、直徑約為 0.5 mm 的 Tubifex 標本。在實驗使用之前，這些標本在符合后續實驗條件的受控實驗室環境中進行了兩周的適應期[23]，[24]。適應期結束后，Tubifex 經過多次沖洗處理，然后準備引入人工濕地系統。
添加了 Tubifex 的人工濕地在 MPs 壓力下保持處理性能
為了研究 PS-MPs 壓力對人工濕地處理性能的影響，進行了一項為期一年的模擬實驗，比較了添加了 Tubifex 的系統和未添加 Tubifex 的系統（圖 1）。PS-MPs 的暴露導致未添加 Tubifex 的人工濕地（H3、H4）中的污染物去除率明顯下降，且這種下降與濃度相關。在 100 μg/L 的 PS-MPs 壓力下，COD、NO??-N、NH??-N 和 TN 的平均去除率分別為 63.7% ± 2.1%、60.8% ± 2.5%、62.3% ± 3.0% 和 65.7% ± 2.1%。當 PS-MPs 濃度
結論
通過將長期微宇宙模擬與機器學習分析相結合，本研究揭示了添加了 Tubifex 的人工濕地在持續 MP 壓力下的生態抵抗力背后的復雜機制。我們證明了生物擾動引起的生態位優化通過從根本上重塑微生物共存網絡并促進關鍵氮循環菌類（特別是 Nitrosospira）的富集來減輕 MP 毒性。這種生物強化作用具有協同效應
環境意義
本研究探討了人工濕地對微塑料壓力的脆弱性。通過引入 Tubifex 驅動的生物擾動，我們利用生物活動重塑了動態過程，有效抵消了毒性的抑制作用。這創造了高度的代謝可塑性，使得標準系統無法實現的營養去除成為可能。我們的結果得到了機器學習的驗證，為開發適應性強的自調節基礎設施提供了關鍵的設計標準。
CRediT 作者貢獻聲明
趙新月：寫作 – 審稿與編輯、資金獲取、數據管理、概念構思。楊 Genji：方法學、調查。馬勝軍：寫作 – 原稿撰寫、方法學、調查、正式分析、數據管理。郝奇瑞：寫作 – 審稿與編輯、概念構思。楊金毅：方法學、調查。王云楠：方法學、調查。郭夢然：方法學、調查。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競爭性財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
本研究得到了中國國家自然科學基金（項目編號 42577095）和黑龍江省自然科學基金（YQ2024D001）的支持。
