用于废水处理的中宇宙尺度人工湿地设计

几十年来，人工湿地处理系统一直用于处理废水，但它们在处理受油砂加工影响的水域方面的应用相对较新。为了探索这种潜力，概述了表面流介宇宙设计和实验方法。这种方法旨在增强我们对关键设计参数的理解并提高治疗效果。

油砂过程影响水 （OSPW） 是加拿大阿尔伯塔省通过露天采矿提取沥青的副产品，包含各种令人担忧的成分，包括环烷酸馏分化合物 （NAFC）。这些有机化合物因其毒性和在环境中的持久性而特别令人担忧。人工湿地处理系统 （CWTS） 使用植物及其相关微生物来减少废水中的污染物。现场规模的 CWTS 已被提出作为 OSPW 的潜在大规模治疗选择，特别是用于降解 NAFC。为了优化 CWTS 在 OSPW 中大规模治疗 NAFC 的使用，必须加深我们对各种设计参数的理解并探索提高疗效的方法。

中宇宙规模的实验是一个有价值的中介，弥合了复杂的现场试验和受控实验室环境之间的差距。Mesocosms 提供了一个受控的、可复制的环境来研究各种参数（如底物、植物种类、温度和保留时间）的影响，同时在其设计中纳入生态复杂性。已发表和以前的工作表明，该方法成功地评估了不同参数对 CWTS 减弱 OSPW 中 NAFC 的疗效的影响。该协议概述了表面流湿地中宇宙的设计和设置，以及在 OSPW 中处理 NAFC 的实验方法。这种方法可以适用于处理不同地理位置的其他废水。

加拿大阿尔伯塔省北部的油砂地区拥有世界第三大石油储量，每天生产超过 300 万桶原油¹。然而，从露天采矿中提取沥青会产生大量的尾矿和油砂工艺影响水 （OSPW） 作为副产品。由于阿尔伯塔省的零排放政策，这些副产品被储存在可开采油砂地区的尾矿池中。截至 2023 年，估计有 391.1 毫米³ 的 OSPW 作为游离水存在于尾矿池中，不包括尾矿沉降期间将继续释放的孔隙水²。OSPW 含有 <5% 的固体，其特点是盐、微量金属以及有机污染物含量升高³。

OSPW 中存在几大类污染物，包括环烷酸馏分化合物 （NAFC）、多环芳烃 （PAH）、BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）、酚类和重金属 ^3,4。NAFC 是沥青中的有机化合物，在提取过程中溶解和浓缩，并一直被确定为 OSPW 急性毒性的主要来源 ^5,6。由于混合物的体积、复杂性和毒性，OSPW 带来了一些环境和经济挑战。为 OSPW 开发具有成本效益、被动和可扩展的处理技术至关重要，因为化学氧化和过滤等传统方法在大规模应用的可行性方面仍然有限。人工湿地处理系统 （CWTS） 是低能耗、成本效益高且可持续的水处理系统，它依靠植物及其相关微生物来减少废水中的污染物;它们已成为治疗 OSPW^{7、8、9、10、11、12} 的有前途的替代方案。

CWTS 是人工湿地，旨在复制自然湿地的过滤功能。CWTS 最初设计用于处理雨水和城市废水，现在用于广泛的应用，包括农业废物、酸性矿山排水、工业废水和其他修复工作¹³。这些系统有三个基本组成部分：基质、水和植被。CWTS 可以设计为地表流或地下水流系统，水运动配置为水平或垂直流动^13,14。水生湿地植物因其适应持续饱和的土壤条件而在 CWTS 中得到广泛利用。一般来说，CWTS 通常使用新兴植物物种，例如 Typha sp.（香蒲）、Juncus sp.（灯心草）和 Carex sp.（莎草）。

CWTS 采用各种机制进行水处理。悬浮固体会吸附污染物并沉淀，形成促进植物生长的沉积物床。此外，植物可以通过生物和非生物机制的组合转移或转化溶解的污染物。非生物机制包括过滤、沉淀、沉淀、吸附、化学氧化/还原、络合、光降解和挥发。生物过程涉及生物转化（微生物或植物介导）、植物积累和植物稳定^13,14。CWTS 作为自我维持系统具有显着优势，通常会随着时间的推移而变得更加高效¹⁴。这些系统用途广泛，能够同时处理多种污染物，同时具有环境可持续性和公众可接受性。此外，与传统处理方法相比，它们的运营和资本成本较低，因此非常适合处理大量废水，例如 OSPW。然而，OSPW 中同时发生的各种非生物和生物过程的复杂性需要仔细设计以优化 CWTS 以实现最大的治疗效果。清楚地了解治疗目标，并结合在实验室工作台、中试和演示规模上进行系统测试，对于优化系统和预测全面实施的成功至关重要¹⁴。

中试规模实验，通常称为中宇宙实验，通常使用模拟单个处理细胞的桶或罐进行。Mesocosms 可以在室内或室外作为现场实验进行。Mesocosms 是部分封闭的系统，与小规模实验相比，其生态复杂性更高，同时仍保持足够的控制和复制，以评估单个设计参数对污染物去除的影响。中宇宙尺度研究对于确认治疗机制和在较小规模上发现并发症是必要的，其中可以实施设计校正和调整¹⁴。该协议描述了室内中宇宙尺度水平表面流 CWTS 的设置和作，为设计 CWTS 研究提供了一个实用框架，特别是对于 OSPW 中 NAFC 的衰减。

1. 中宇宙构建

注：有关中宇宙构建所需材料的完整列表，请参见 材料表 ，有关中宇宙构建示意图，请参见 图 1 。

1. 如果需要，请拆下聚乙烯水箱的顶部 （129.5 cm x 30.0 cm）。
2. 准备排水孔;在聚丙烯水箱的同一侧钻两个孔（部件 #1 和 #2）。将 PVC 穿板接头（部件 #3）放入两个孔中，外螺纹朝外。使用防水密封剂密封隔板接头的外边缘。
   1. 土壤排水孔（第 #2 部分）：将其放置在水箱的角底座上，确保有足够的空间容纳隔板配件。
   2. 地表水排水孔（第 #1 部分）：将其放置在土壤水平面高度以上，靠近水箱中心。
3. 将带有过滤网（部件 #4）的软管垫圈（部件 #5）放在隔板接头的内侧，并用密封剂固定。
4. 设置内部排水管道：
   1. 对于地表水排放孔（部件 #1），首先将 PVC 公适配器（部件 #10）连接到隔板接头（部件 #3），然后是 90° PVC 弯头（部件 #11）。
   2. 插入一根 PVC 管（Part #12），切割成与所需水位与 90° 弯头的高度相匹配。
5. 设置外部排水管道。在以下步骤中，使用压接环将 PEX 固定到接头上。
   1. 将特氟龙胶带缠绕在 3/4 英寸 PEX x 3/4 英寸 MPT 黄铜适配器（部件 #6）的螺纹上，并连接到隔板配件（部件 #3）。
   2. 剪下两个相等长度的 3/4 英寸 PEX（部件 #7）并连接到 MPT 黄铜适配器（部件 #6）。
   3. 在 PEX 管（零件 #7）上添加一个塑料膨胀弯头配件，面朝下用于地表水排放孔，面向水箱中心用于土壤排水孔。
   4. 对于土壤排水孔（零件 #2），将 PEX 管连接到弯头，然后连接球阀、另一个 PEX 段和塑料膨胀三通。调整 PEX 长度，使膨胀三通的顶部与地表水排放管道对齐。
   5. 对于地表水排放孔，将 PEX 管连接到塑料膨胀弯头，将其连接到膨胀三通。
   6. 连接系统后，在塑料膨胀三通中加入另一块 PEX（部件 #7），末端是一个向下的塑料膨胀弯头。
   7. 在塑料膨胀弯头接头的底部添加另一块 PEX（部件 #7），以确保水排入储水箱。
6. 增加中宇宙的结构完整性：
   1. 使用 2 英寸 x 4 英寸的木材构建一个框架（第 #13 部分，129.5 厘米长 x 37.0 厘米宽）。
   2. 用木螺钉固定框架。
   3. 将框架放在中宇宙上，确保它不会位于管道配件上。
   4. 用铝箔包裹中层的外部，以减少从中层侧面进入土壤的光线。

2. 中宇宙设置和维护

1. 从种子中种植用于实验的植物：
   1. 根据需要对种子进行分层。
   2. 将种子放入含有泥炭作为塞料的标准聚苯乙烯块容器中。
   3. 幼苗发芽后，使用水溶性植物饲料 （24-8-16） 每周给幼苗施肥 3 次。
   4. 让幼苗生长至少 3-5 个月，以确保它们达到处理反应的最佳大小。
      注意：确切的时间长短取决于物种的大小和类型。如果幼苗是购买的而不是种植的，则可以省略此步骤。
2. 将 mesocosms 放在温室中：
   1. （可选） 用胶合板加固温室桌，以支撑中宇宙的重量。
   2. 将中间宇宙均匀分布在温室隔间表上，以确保处理的随机放置并最大限度地减少环境条件的变化（图 2）。
   3. 将管道放置在桌子边缘，以便正确排入储液罐（图 2）。
3. 设置储液罐：
   1. 将 57 L 开口塑料工业桶放在排水管下方。
   2. 在水箱的中部和底部之间安装一个潜水动力头循环泵，以允许连续的罐内混合。将电源线固定到水箱外部。
4. 添加并浸透基材：
   1. 将基质均匀地铺在中间层，并用适度的压力将基质夯实至所需高度。
      注意：基质的高度取决于研究目标和植物物种。
   2. 用反渗透 （RO） 水使基材完全饱和，测量添加的水量;这相当于基材中孔隙水的体积。
      注：孔隙水是基质饱和时添加的水体积，当水位与基质顶部匹配时可以观察到。此过程最多可能需要一天时间。孔隙水体积对于确定系统中的确切水量和计算流速非常重要。
5. 确定流速：
   1. 根据既往研究和研究目标选择保留时间。
   2. 计算中宇宙中的总水体积。
      
   3. 计算流速。
      
6. 安装泵：
   1. 将一个泵放置在两个相邻的中间宇宙之间。
      注意：如果需要，一个泵也可用于一个 mesocosm。
   2. 使用公对公 USB 电缆将所有泵连接在一起，将最后一个泵连接到控制器。
   3. 将阀内管浸入储液槽中，将其固定或压低以保持原位。
   4. 将外阀管固定到中宇宙的后顶角，确保其保持在吃水线以上。
   5. 用铝箔包裹管子以帮助防止藻类生长。
   6. 根据制造商的说明设置和校准泵、电源条和控制器¹⁵.
   7. 将泵调整到计算的流速。
7. 种植和适应植物种类：
   1. 将温度和 LED 植物生长灯调整到植物生长的最佳水平，同时根据中宇宙调节植物物种。
   2. 均匀种植 6-12 种植物，以确保中宇宙中每单位面积的生物量相等。
      注意：个体数量可能会根据研究目标和物种的生理机能而变化（例如，随着 Typha latifolia 变得根系，个体数量可能会减少）。
   3. 逐渐提高 RO 水位，保持一个水位 1-2 天，并根据需要更换 PVC 管（步骤 1.4.2）以匹配水位。
   4. 以最终所需的流速打开泵。
   5. 一旦达到所需的水位，根据实验设置调整温室光照和温度，并让植物适应 ~35 天。
8. 排空并冲洗系统：
   1. 拆下 PVC 立管并打开球阀以完全排空系统;这可能需要长达 2 天的时间。
   2. 用 OSPW 冲洗系统并使其完全排空，确保 PVC 管保持关闭状态且球阀打开。确保在实验期间不使用冲洗期间使用的 OSPW。
   3. 冲洗后，关闭球阀并添加 PVC 管以匹配所需的水位。
9. 添加 OSPW：
   1. 小心地将 OSPW 倒入每个 mesocosm 中，以避免干扰基质或植物，填充直到达到所需的水位。
   2. 如果使用多个批次的水，请确保化学性质一致，或均匀分布在所有中宇宙中。
   3. 用 OSPW 填充储液罐，从顶部留出大约 5 厘米的空间。
10. 管理蒸发：
    1. 根据需要用 RO 水重新填充储水箱，保持水位低于顶部约 5 厘米。

3. 采样

1. 植物种类测量：
   1. 每个保留时间周期，测量植物健康和生长指标¹⁶.植物健康指标包括可见的压力迹象，如萎黄和虫害，而植物生长指标包括死亡率、高度和覆盖率。
   2. 在实验结束时，如果需要，采集植物地上生物量和植物组织化学样品。
      注意：建议使用的监测间隔和测量来研究 NAFC 对植物健康的影响，并且可能因实验目标而异。
2. 基材测量：
   1. 基线表征：在将底物添加到每个中层之前，测量一系列参数（例如 pH 值、电导率 （EC）、氧化还原电位 （ORP）、主要阴离子/阳离子、营养物质、NAFC 和任何其他相关污染物）。
   2. 在第一个保留循环中，从每个中宇宙收集底物样品，以获得一般化学的基线。从每个中宇宙中的随机位置收集底物样本。
   3. 在每个保留时间周期中，使用合适的 ORP 探针测量底物 ORP。
   4. 在实验结束时，从每个中宇宙收集底物样品并测量与基线表征中相同的参数（例如，pH、EC、ORP、主要阴离子/阳离子、营养物、NAFC 和任何其他相关污染物）。
3. 水测量：
   1. 基线表征：在将 OSPW 添加到每个中观之前，测量一组参数（例如 pH、EC、ORP、主要阴离子/阳离子、营养物、NAFC 和任何其他相关污染物）。
   2. 实验开始后，几天后（保留周期 1 结束）从每个中宇宙中采集 OSPW 的初始样本，以使 OSPW 内的沉积物沉淀并让 OSPW 充满孔隙水空间。从每个中宇宙的前面收集 OSPW 样本。
   3. 在每个保留时间周期内，使用参考仪器测量溶解氧 （DO）、ORP、pH、EC 和温度。
   4. 在实验结束时，收集最终水样以测量一般化学成分，测量一系列参数（例如，DO、PH、EC、ORP、主要阴离子/阳离子、营养物质、NAFC 和任何其他相关污染物）。

图 1：中宇宙设计和实验装置示意图。 （A） 中观结构示意图和所需组件。（B） 示例实验设置，包括基质和植物添加，以及储液罐放置。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 2：中宇宙和储层布局示例。 （A） 温室中无铝箔的中层和水库池的布局。（B） 显示中宇宙和储层水箱的布局，铝箔包裹在中宇宙周围以限制光线穿透，每两个中宇宙一个泵。 请单击此处查看此图的较大版本。

这种中宇宙构建的湿地协议的成功体现在植物物种的稳健生长和发展、对环境参数的持续监测以及随着时间的推移有效去除污染物。Trepanier 等人收集的数据 ¹⁷ 说明了该方法的有效性和预期结果。该研究评估了 Carex aquatilis（一种常见于北方湿地的莎草）减少 OSPW 中 NAFC 的能力。它使用 OSPW 或实验室制造的工艺用水，将含有 C. aquatilis 的 mesocosms 的性能与没有植物的 mesocosms 的性能进行了比较。中宇宙由 10 cm 粗砂尾矿 （CST） 的基质构成，上面铺有 10 cm 的泥炭矿物混合物 （PMM） 和 25 cm 的 OSPW 覆盖在基质上。在实验之前，植物生长 3 个月，平均身高为 83 厘米，然后移植到系统中。添加 RO 水（图 3）以使植物适应中层世界，并将系统保持在 20 ^°C 32 天。

图 3：种植树种和 RO 添加水。 （A） 添加被篡改的基质和在基质中种植物种的示例。（B） 植物物种在整个中宇宙中的均匀分布。（C） 在植物驯化期向中间宇宙中添加 RO 水。缩写：RO = 反渗透。 请单击此处查看此图的较大版本。

植物在整个实验中表现出旺盛的生长，高度和覆盖率显着增加（图 4）。 图 5 进一步说明了 C. aquatilis 的稳定生长，在稳定前第 40 天达到约 150 厘米的高度。这在 C. aquatilis 的预期生长范围内，即 20-155 厘米。植物存活率高达 98%，实验结束时 99% 的植物组织存活。然而，大多数植物表现出萎黄、坏死和/或斑驳的迹象，在某些情况下，叶子变形和起皱¹⁷。植物健康的常规监测对于识别潜在问题（例如虫害）至关重要。

图 4：实验开始和结束时植物生长的照片。 水 苔草 从第 0 天到第 78 天的生长和健康状况的示例照片。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 5：含有 Carex aquatilis 的中层植物高度随时间的变化。 Carex aquatilis 在中宇宙中的平均株高 （n = 48）。第 0 天是将 OSPW 添加到系统的时间。植物驯化期是指在 OSPW 添加之前，中宇宙中含有 RO 水的时期。误差线表示平均值的一个标准差。该图改编自 Trepanier 等人 ¹⁷。缩写：RO = 反渗透;OSPW = 受油砂过程影响的水。请单击此处查看此图的较大版本。

定期监测关键环境参数，如水溶解氧和底物氧化还原，以确保最佳系统性能，因为保持足够的氧气水平对于植物健康和 CWTS 中的有效污染物去除至关重要。底物氧化还原值在整个实验过程中波动，未种植的中层保持在 50 mV 和 100 mV 之间的氧化条件下，而含有 C. aquatilis 的中层偶尔接近 0 mV。OSPW 在整个实验中将 DO 水平保持在 > 5 ppm，并且在没有植物的中宇宙中，DO 总体上更高，尤其是在实验结束时（图 6）。8 ppm 的 DO 通常被认为是植物生长的理想选择;但是，DO 值高于 5 ppm 是可以接受的。常规监测可以识别溶解氧的偶尔下降，这可能会促使进行系统检查，例如验证泵的功能，以确保一致的运行。

图 6：中宇宙内的溶解氧和土壤氧化还原测量。 （A） OSPW 中的溶解氧和 （B） 水苔藓 和仅 OSPW 未种植处理的中宇宙的土壤氧化还原电位。数据点表示四个重复的 mesocosms （n = 4） 的平均值，误差线表示平均值的一个标准误差。缩写：OSPW = 油砂过程影响的水。 请单击此处查看此图的较大版本。

该研究的主要目的是使用 mesocosm CWTS 评估 OSPW 对 NAFC 衰减的可能性。 图 7 显示了整个实验中 NAFC 浓度的逐渐下降，证明了该系统的有效性。 C. aquatilis 的存在增强了 NAFC 的去除，在 82 天内实现了 76% 的 NAFC 减少（初始为 72.1 mg/L，最终为 17.1 mg/L），而未种植的对照处理在 82 天内减少了 8.5%（初始为 64.5 mg/L，最终为 59.0 mg/L）¹⁷。NAFC 浓度的成功降低，以及植物的健康生长和有利的环境条件，证实了 mesocosm 设置正在有效工作。这些结果证明了该系统模拟人工湿地的能力，并为 CWTS 在降低 OSPW 毒性方面的作用提供了有价值的见解。

图 7：中宇宙中 NAFC 浓度随时间的变化。 在 Carex aquatilis 的中宇宙和仅具有 OSPW 的未种植处理中环烷酸馏分化合物的浓度。数据点表示四个重复的 mesocosms （n = 4） 的平均值，误差线表示平均值的一个标准误差。均值之间的不同字母表示显著差异 （P < 0.05）。该图改编自 Trepanier 等人 ¹⁷。缩写：OSPW = 油砂过程影响水;NAFC = 环烷酸馏分化合物。 请单击此处查看此图的较大版本。

CWTS 已被用作许多废水的被动且具有成本效益的处理^{方法 13};然而，它们是治疗 NAFC 衰减^{7、8、9、10、11、12、17、18} 的 OSPW 的一种相对较新的方法。使用本文中描述的方法，可以通过评估各种设计参数来提高 CWTS 的有效性。

如图 1 所示组装中球片，确保安装正确的排水管道。为了防止因基材堵塞出口而导致潜在的流动问题或保留时间不均，在底部排水塞上放置一个带有过滤网的软管清洗器，并将顶部排水孔放置在基材水平上方。如果采取这些措施后仍发生堵塞，可以使用排水螺旋钻或气压来清除堵塞物。

Mesocosms 放置在用胶合板加固的温室桌子上，水桶位于桌子的末端，用于水循环。水利用重力流在系统中循环，从进水软管进入，从表面排水孔端流出，然后循环返回水库。保留时间（天）是根据以前的人工湿地研究选择的⁷。潜水循环泵用于确保储液罐的连续混合。计量泵用于促进水在中层和水库之间的流动。可以将一个计量泵连接到两个 mesocosms。应根据实验目标设置泵，以达到所需的流速和保留时间。

中观构建后，将基质均匀堆积到中观中，移栽植物，并加入 RO 水。RO 水最初在植物适应期间使用，以确保在开始实验之前系统运行良好，植物健康。驯化期后，排干中宇宙，用 100% OSPW 冲洗 24 小时以确保更换孔隙水，然后在开始实验前用 OSPW 重新填充。

应完成的关键测量包括植物健康和生长指标、基质和水化学参数以及目标污染物的浓度。每个周期对水和基质参数进行一次例行测量，以确保 mesocosm 按预期运行。建议使用 YSI Professional Plus 多参数仪器每周期测量一次水质参数，包括 DO、ORP、pH 和电导率。土壤 ORP 和水 DO 是需要监测的关键参数，以确保中宇宙保持好氧条件。

所描述的方法具有高度适应性，可以根据治疗目标进行更改。主要的处理改性包括但不限于植物种类、多种植物种类的使用、保留时间、环境条件、基质成分和深度以及肥料的添加。应根据提高植物存活率和植物修复效果的特性来选择植物物种。选择适应当地气候的原生湿地植物物种将提高成功生长和存活的可能性 11,13,14。非常适合用于 CWTS 的植物物种包括根深而宽、根茎强壮、生长迅速、氧气运输充足并具有抵消盐分效应机制的植物物种 17,19,20。通常建议避免种植植物物种的混合物，因为植物多样性的增加会导致 CWTS 疗效的确定性降低。特别是如果一个植物变得占主导地位，就很难模拟 CWTS 的行为¹⁴.选定的植物物种也会影响蒸散，这可能会产生盐和其他污染物的浓度效应。

确保在系统中考虑蒸散很重要;确保 RO 水维持 OSPW 水平。使用市政水或非 RO 水会导致其他成分（例如氯化物、钙、氟化物）的增加，这可能会影响 meocosm 研究的结果。改变保留时间可能有助于通气，确保中宇宙内的各种成分和水平不会变得厌氧，这可能导致对微生物群落和植物健康的影响。

脉冲或间歇性流入可用于模拟自然湿地动态（即风暴事件和季节性径流）。确保环境变量（温度、光照条件和季节性变化）与研究区域中的变量相似，这对于将工作外推到大规模 CWTS 非常重要，因为它将减少影响系统的新变量的数量，以及分析这些变量如何影响 CWTS 在衰减 NAFC 方面的功效。为中宇宙选择可用于更大规模 CWTS 的底物将有助于为未来的设计提供信息并提高处理系统的功效。在油砂开采中，粗砂尾矿和泥炭矿物混合物是基质，之前已在中宇宙研究中进行了测试，以确定改善植物健康、增加有益微生物群落并有助于衰减 NAFC^{的最佳基质 17}。

这种方法的主要限制是中宇宙的大小和深度有限，这可能会影响根系生长并导致植物被根系束缚。这些限制可以通过减少实验时间和/或使用的单个植物的数量来克服。如果在同一中宇宙中使用多个物种，则竞争可能会产生协同或累加效应。最终，中宇宙的大小和深度可能会导致实验的持续时间缩短，从而限制收集的数据量。长期实验可以检查养分循环等过程，当有机物通过植物碎屑和根系分泌物的积累和缓慢分解被添加到系统中时，就会发生这种情况。这可能会影响微生物群落和污染物的衰减速度。此外，这种 mesocosm 设计相对较短的实验时间框架提供了可用于增强未来实验的快速反馈。营养物质可以添加到中宇宙系统中;然而，添加的肥料的类型和数量需要广泛监测以防止藻类大量繁殖。

温室中的条件旨在创造最佳的生长环境;温度范围的设置适当地反映了该地区的季节性温度，并实施了逐渐变化以模拟自然昼夜波动。湿度水平也被管理在代表区域气候的范围内变化。此外，温室设计为在指定的日照时间内接收 25,000 勒克斯，相当于大约 200 W/m² 的环境日光。为确保一致的光强度，每当自然光水平低于此阈值时，LED 灯就会激活。使用温室也有其局限性。虽然温室提供了受控的环境，但它也会带来独特的挑战，例如害虫侵扰、温室效应和创造非自然环境。害虫侵扰在温室环境中尤为常见，会影响植物的健康和生长。为了减少杀虫剂的使用，天敌或物理害虫清除是很好的选择。尽管存在这些挑战，温室仍然是进行试点研究的最佳环境，因为它允许精确控制和检查各个参数¹⁴。

这种方法代表了设计 mesocosm 实验的众多方法之一。中试规模的 CWTS 实验可以在室外^10,21 或室内 ^4,17 进行。室外中宇宙受多种环境因素的影响，这些因素可以以复杂和不可预测的方式相互作用。这些相互作用使得对单个变量进行建模或阐明驱动观察到的结果的特定机制变得具有挑战性。因此，很难确定哪些因素有助于 CWTS 性能并确定改进系统设计的机会;然而，它们更接近于全面 CWTS 条件¹⁴。相比之下，室内中宇宙提供了一个更受控的环境，最大限度地减少了自然和其他外部影响的影响，使其更容易理解过程并确定可以提高性能的设计参数。

CWTS 设计通常具有水平表面流^{4、10、17、18} 或垂直地¹⁸。这里描述的方法代表了水平表面流 Mesocosmm 设计。垂直流系统依靠重力来促进水的垂直流动，提供更好的氧合并需要更少的空间，而水平流系统保持更稳定的条件¹⁰ 并增强植物修复潜力²²。Mesocosms 通过测试整体组件和提高未来大规模应用的效率，允许对周围环境的可复制性和控制，并能够隔离和测量单个实验参数，同时还可以跟踪生物变化和化学消散途径，从而为开发 CWTS 提供了显着优势。

作者没有需要披露的利益冲突。

这项研究的资金由加拿大基因组大规模应用研究项目（LSARP，拨款 #18207）和加拿大林务局累积效应资助计划提供。我们要感谢 Imperial Oil Ltd. 提供本研究中使用的材料。我们还要感谢所有协助实验的人：Ian J. Vander Meulen、Jason M.E. Ahad、Sara Correa-Garcia、Simon Morvan、Marie-Josée Bergeron、Dilini Atugala、Lisa Gieg、John V. Headley、Étienne Yergeau 和 Christine Martineau。我们还要感谢 Douglas Muench 的实验和中宇宙设计。我们还要感谢北方林业中心的工作人员和在整个实验过程中提供协助的暑期学生。我们要承认，我们的研究是在 Treaty 6 领土上进行的，这些实验的材料来源是从 Treaty 8 领土收集的。我们承认并尊重在这些土地上生活、聚集和旅行的原住民、梅蒂斯人和因纽特人。