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南方科技大学环境科学与工程学院王俊坚课题组Water Research: 芦苇凋落物与生物炭相互作用对人工湿地性能的影响

第一作者：周彤彤 博士（南方科技大学）

通讯作者：王俊坚 研究员（南方科技大学）

论文DOI: 10.1016/j.watres.2024.121387

图文摘要

成果简介

近日，南方科技大学王俊坚课题组在Water Research上发表了题为“Interaction of reed litter and biochar presences on performances of constructed wetlands”的研究论文（DOI:10.1016/j.watres.2024.121387），探究了芦苇凋落物和生物炭的相互作用对人工湿地性能的影响。研究人员通过评估单独和联合添加芦苇凋落物和不同温度热解的芦苇生物炭对人工湿地性能的影响，开展人工湿地脱氮性能、温室气体排放、溶解性有机质（DOM）变化以及微生物特征的分析，发现在人工湿地中添加芦苇凋落物和生物炭可以实现高效的微生物脱氮以及相对较低的温室气体排放，指出二者结合使用对提高人工湿地脱氮效能和降低温室气体排放有着重要作用。

全文速览

人工湿地常被用于处理高氮废水，然而这个方法往往忽略了湿地中植物凋落物的存在对脱氮的影响。通过评估单独和联合添加芦苇凋落物和生物炭对人工湿地脱氮效能、温室气体排放、溶解性有机质（DOM）以及微生物特征的影响，发现与单独添加生物炭相比，芦苇凋落物和生物炭联合添加显著提高了人工湿地对硝酸盐和总氮的去除。添加了芦苇凋落物的人工湿地中有较少的芳香性DOM和更多的类蛋白DOM，这有利于与反硝化作用相关的细菌的富集。而添加凋落物后脱氮性能的加强可以归因于反硝化微生物的增加以及反硝化功能基因相对丰度的提高。此外，与单独添加凋落物相比，联合添加凋落物和300℃生物炭显著降低了人工湿地N2O和CH4的排放量。

引言

氮污染是水生生态系统中普遍存在的问题，人工湿地被证明在脱氮方面具有低成本且高效益的优势，但人工湿地脱氮过程中通常存在碳源不足的问题。芦苇作为湿地常用的水生植物类型，其凋落物对湿地脱氮过程会产生重要影响。尽管大量研究表明生物炭对人工湿地脱氮有促进作用，但关于芦苇凋落物和生物炭的结合使用对人工湿地脱氮性能、温室气体排放以及DOM特性变化的响应尚不明确。

图文导读

图1不同处理组中氮含量的变化

与单独添加生物炭处理相比，单独添加凋落物和二者联合添加处理显著降低了人工湿地中总氮和硝酸盐的浓度，而单独添加生物炭处理没有显著变化。如图1所示，单独添加凋落物和二者联合添加处理的TDN含量呈现明显下降趋势，且硝酸盐含量一直处于降低浓度，而单独添加生物炭处理的TDN和硝酸盐含量一直处于较高位置。

图2不同处理组中DOM光谱特性随时间的变化

为了从光谱特性角度说明碳源添加对人工湿地废水中DOM特性的影响，通过三维荧光分析，发现在添加芦苇凋落物处理中，SUVA254和HIX呈上升趋势，说明DOM的芳香性随时间增加，而非腐殖质DOM逐渐被去除；添加芦苇凋落物处理中SR呈下降趋势，说明DOM分子量随时间变化呈增大趋势，这可能是由于细菌更偏好消耗低分子量的DOM。

图3不同处理组中溶解性有机质组分的变化

我们进一步通过PARAFAC模型分析，发现在添加生物炭的处理中，微生物源类腐殖质组分相对丰度较高，而在添加芦苇凋落物的处理中，类蛋白组分随时间减少，表明植物凋落物产生的类蛋白组分被微生物逐渐消耗。说明碳源的添加处理改变了微生物容易利用的DOM底物质量。

图4不同处理组中人工湿地温室气体排放通量

特别值得注意的是，添加300℃生物炭的处理显著降低了N2O排放，说明低温热解生物炭促进了微生物反硝化过程。同时，300℃生物炭与芦苇凋落物的结合对N2O通量有显著的交互作用。CH4排放在添加300℃生物炭的处理中也显著降低，这可能是因为这种生物炭更易被微生物分解，从而支持甲烷氧化细菌的活动，减少CH4产生。此外，添加碳源的人工湿地的CO2排放显著高于对照组，但不同碳源类型对CO2排放的影响不显著。

图5功能基因的相对丰度和相关性分析

微生物分析结果显示，在组合添加凋落物和生物炭的处理中，与反硝化相关的基因如nosZ、napA、nirS、norB和norC的相对丰度显著高于其他处理，这表明芦苇凋落物和生物炭的结合有助于增强反硝化功能基因的丰度。此外，相关性分析结果表明，较小的DOM分子有助于人工湿地中硝酸盐的去除。类腐殖质组分与硝酸盐氮浓度正相关，而类蛋白组分与硝酸盐氮浓度负相关，这可能促进了微生物活动，提高了硝酸盐的去除效率。

小结

这项工作报道了一种能同时提高人工湿地脱氮效能和降低温室气体排放的新方法，并从脱氮效能、温室气体排放、溶解性有机质和微生物活动等方面揭示了此方法的作用机理。研究强调了在人工湿地中结合使用芦苇凋落物和生物炭处理高氮废水的有效性，并为人工湿地脱氮、碳源选择和降低温室气体排放提供了可参照的思路。

作者介绍

周彤彤 博士，现任职于南方科技大学环境科学与工程学院。主要从事废水处理和湿地生态相关研究。以第一作者或通讯作者在Water Research, Bioresource Technology, Journal of Cleaner Production 等期刊发表SCI论文6篇。主持中国博士后科学基金、广东省基础与应用基础研究青年基金等项目。

王俊坚 研究员、博士生导师，现任职于南方科技大学环境科学与工程学院。主要从事植物-土壤-水体连续体中的有机质环境生物地球化学研究。以第一作者或通讯作者发表SCI论文60余篇。主持国家自然科学基金重大项目课题、优秀青年科学基金项目，担任创新研究群体核心骨干。

文章链接: https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121387。