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南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院王俊堅(jiān)課題組Water Research: 蘆葦?shù)蚵湮锱c生物炭相互作用對(duì)人工濕地性能的影響

第一作者：周彤彤 博士（南方科技大學(xué)）

通訊作者：王俊堅(jiān) 研究員（南方科技大學(xué)）

論文DOI: 10.1016/j.watres.2024.121387

圖文摘要

成果簡(jiǎn)介

近日，南方科技大學(xué)王俊堅(jiān)課題組在Water Research上發(fā)表了題為“Interaction of reed litter and biochar presences on performances of constructed wetlands”的研究論文（DOI:10.1016/j.watres.2024.121387），探究了蘆葦?shù)蚵湮锖蜕锾康南嗷プ饔脤?duì)人工濕地性能的影響。研究人員通過(guò)評(píng)估單獨(dú)和聯(lián)合添加蘆葦?shù)蚵湮锖筒煌瑴囟葻峤獾奶J葦生物炭對(duì)人工濕地性能的影響，開(kāi)展人工濕地脫氮性能、溫室氣體排放、溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）變化以及微生物特征的分析，發(fā)現(xiàn)在人工濕地中添加蘆葦?shù)蚵湮锖蜕锾靠梢詫?shí)現(xiàn)高效的微生物脫氮以及相對(duì)較低的溫室氣體排放，指出二者結(jié)合使用對(duì)提高人工濕地脫氮效能和降低溫室氣體排放有著重要作用。

全文速覽

人工濕地常被用于處理高氮廢水，然而這個(gè)方法往往忽略了濕地中植物凋落物的存在對(duì)脫氮的影響。通過(guò)評(píng)估單獨(dú)和聯(lián)合添加蘆葦?shù)蚵湮锖蜕锾繉?duì)人工濕地脫氮效能、溫室氣體排放、溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）以及微生物特征的影響，發(fā)現(xiàn)與單獨(dú)添加生物炭相比，蘆葦?shù)蚵湮锖蜕锾柯?lián)合添加顯著提高了人工濕地對(duì)硝酸鹽和總氮的去除。添加了蘆葦?shù)蚵湮锏娜斯竦刂杏休^少的芳香性DOM和更多的類(lèi)蛋白DOM，這有利于與反硝化作用相關(guān)的細(xì)菌的富集。而添加凋落物后脫氮性能的加強(qiáng)可以歸因于反硝化微生物的增加以及反硝化功能基因相對(duì)豐度的提高。此外，與單獨(dú)添加凋落物相比，聯(lián)合添加凋落物和300℃生物炭顯著降低了人工濕地N2O和CH4的排放量。

引言

氮污染是水生生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的問(wèn)題，人工濕地被證明在脫氮方面具有低成本且高效益的優(yōu)勢(shì)，但人工濕地脫氮過(guò)程中通常存在碳源不足的問(wèn)題。蘆葦作為濕地常用的水生植物類(lèi)型，其凋落物對(duì)濕地脫氮過(guò)程會(huì)產(chǎn)生重要影響。盡管大量研究表明生物炭對(duì)人工濕地脫氮有促進(jìn)作用，但關(guān)于蘆葦?shù)蚵湮锖蜕锾康慕Y(jié)合使用對(duì)人工濕地脫氮性能、溫室氣體排放以及DOM特性變化的響應(yīng)尚不明確。

圖文導(dǎo)讀

圖1不同處理組中氮含量的變化

與單獨(dú)添加生物炭處理相比，單獨(dú)添加凋落物和二者聯(lián)合添加處理顯著降低了人工濕地中總氮和硝酸鹽的濃度，而單獨(dú)添加生物炭處理沒(méi)有顯著變化。如圖1所示，單獨(dú)添加凋落物和二者聯(lián)合添加處理的TDN含量呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，且硝酸鹽含量一直處于降低濃度，而單獨(dú)添加生物炭處理的TDN和硝酸鹽含量一直處于較高位置。

圖2不同處理組中DOM光譜特性隨時(shí)間的變化

為了從光譜特性角度說(shuō)明碳源添加對(duì)人工濕地廢水中DOM特性的影響，通過(guò)三維熒光分析，發(fā)現(xiàn)在添加蘆葦?shù)蚵湮锾幚碇?，SUVA254和HIX呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明DOM的芳香性隨時(shí)間增加，而非腐殖質(zhì)DOM逐漸被去除；添加蘆葦?shù)蚵湮锾幚碇蠸R呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明DOM分子量隨時(shí)間變化呈增大趨勢(shì)，這可能是由于細(xì)菌更偏好消耗低分子量的DOM。

圖3不同處理組中溶解性有機(jī)質(zhì)組分的變化

我們進(jìn)一步通過(guò)PARAFAC模型分析，發(fā)現(xiàn)在添加生物炭的處理中，微生物源類(lèi)腐殖質(zhì)組分相對(duì)豐度較高，而在添加蘆葦?shù)蚵湮锏奶幚碇?，?lèi)蛋白組分隨時(shí)間減少，表明植物凋落物產(chǎn)生的類(lèi)蛋白組分被微生物逐漸消耗。說(shuō)明碳源的添加處理改變了微生物容易利用的DOM底物質(zhì)量。

圖4不同處理組中人工濕地溫室氣體排放通量

特別值得注意的是，添加300℃生物炭的處理顯著降低了N2O排放，說(shuō)明低溫?zé)峤馍锾看龠M(jìn)了微生物反硝化過(guò)程。同時(shí)，300℃生物炭與蘆葦?shù)蚵湮锏慕Y(jié)合對(duì)N2O通量有顯著的交互作用。CH4排放在添加300℃生物炭的處理中也顯著降低，這可能是因?yàn)檫@種生物炭更易被微生物分解，從而支持甲烷氧化細(xì)菌的活動(dòng)，減少CH4產(chǎn)生。此外，添加碳源的人工濕地的CO2排放顯著高于對(duì)照組，但不同碳源類(lèi)型對(duì)CO2排放的影響不顯著。

圖5功能基因的相對(duì)豐度和相關(guān)性分析

微生物分析結(jié)果顯示，在組合添加凋落物和生物炭的處理中，與反硝化相關(guān)的基因如nosZ、napA、nirS、norB和norC的相對(duì)豐度顯著高于其他處理，這表明蘆葦?shù)蚵湮锖蜕锾康慕Y(jié)合有助于增強(qiáng)反硝化功能基因的豐度。此外，相關(guān)性分析結(jié)果表明，較小的DOM分子有助于人工濕地中硝酸鹽的去除。類(lèi)腐殖質(zhì)組分與硝酸鹽氮濃度正相關(guān)，而類(lèi)蛋白組分與硝酸鹽氮濃度負(fù)相關(guān)，這可能促進(jìn)了微生物活動(dòng)，提高了硝酸鹽的去除效率。

小結(jié)

這項(xiàng)工作報(bào)道了一種能同時(shí)提高人工濕地脫氮效能和降低溫室氣體排放的新方法，并從脫氮效能、溫室氣體排放、溶解性有機(jī)質(zhì)和微生物活動(dòng)等方面揭示了此方法的作用機(jī)理。研究強(qiáng)調(diào)了在人工濕地中結(jié)合使用蘆葦?shù)蚵湮锖蜕锾刻幚砀叩獜U水的有效性，并為人工濕地脫氮、碳源選擇和降低溫室氣體排放提供了可參照的思路。

作者介紹

周彤彤 博士，現(xiàn)任職于南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院。主要從事廢水處理和濕地生態(tài)相關(guān)研究。以第一作者或通訊作者在Water Research, Bioresource Technology, Journal of Cleaner Production 等期刊發(fā)表SCI論文6篇。主持中國(guó)博士后科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究青年基金等項(xiàng)目。

王俊堅(jiān) 研究員、博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任職于南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院。主要從事植物-土壤-水體連續(xù)體中的有機(jī)質(zhì)環(huán)境生物地球化學(xué)研究。以第一作者或通訊作者發(fā)表SCI論文60余篇。主持國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目課題、優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目，擔(dān)任創(chuàng)新研究群體核心骨干。

文章鏈接: https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121387。