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

第一作者：周彤彤 博士（南方科技大學）

通訊作者：王俊堅 研究員（南方科技大學）

論文DOI: 10.1016/j.watres.2024.121387

圖文摘要

成果簡介

近日，南方科技大學王俊堅課題組在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θ斯竦匦阅艿挠绊?。研究人員通過評估單獨和聯(lián)合添加蘆葦?shù)蚵湮锖筒煌瑴囟葻峤獾奶J葦生物炭對人工濕地性能的影響，開展人工濕地脫氮性能、溫室氣體排放、溶解性有機質(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锾靠梢詫崿F(xiàn)高效的微生物脫氮以及相對較低的溫室氣體排放，指出二者結(jié)合使用對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，然而這個方法往往忽略了濕地中植物凋落物的存在對脫氮的影響。通過評估單獨和聯(lián)合添加蘆葦?shù)蚵湮锖蜕锾繉θ斯竦孛摰?、溫室氣體排放、溶解性有機質(zhì)（DOM）以及微生物特征的影響，發(fā)現(xiàn)與單獨添加生物炭相比，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和更多的類蛋白DOM，這有利于與反硝化作用相關(guān)的細菌的富集。而添加凋落物后脫氮性能的加強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豐度的提高。此外，與單獨添加凋落物相比，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，但人工濕地脫氮過程中通常存在碳源不足的問題。蘆葦作為濕地常用的水生植物類型，其凋落物對濕地脫氮過程會產(chǎn)生重要影響。盡管大量研究表明生物炭對人工濕地脫氮有促進作用，但關(guān)于蘆葦?shù)蚵湮锖蜕锾康慕Y(jié)合使用對人工濕地脫氮性能、溫室氣體排放以及DOM特性變化的響應(yīng)尚不明確。

圖文導讀

圖1不同處理組中氮含量的變化

與單獨添加生物炭處理相比，單獨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，而單獨添加生物炭處理沒有顯著變化。如圖1所示，單獨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，且硝酸鹽含量一直處于降低濃度，而單獨添加生物炭處理的TDN和硝酸鹽含量一直處于較高位置。

圖2不同處理組中DOM光譜特性隨時間的變化

為了從光譜特性角度說明碳源添加對人工濕地廢水中DOM特性的影響，通過三維熒光分析，發(fā)現(xiàn)在添加蘆葦?shù)蚵湮锾幚碇?，SUVA254和HIX呈上升趨勢，說明DOM的芳香性隨時間增加，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，說明DOM分子量隨時間變化呈增大趨勢，這可能是由于細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質(zhì)組分的變化

我們進一步通過PARAFAC模型分析，發(fā)現(xiàn)在添加生物炭的處理中，微生物源類腐殖質(zhì)組分相對豐度較高，而在添加蘆葦?shù)蚵湮锏奶幚碇?，類蛋白組分隨時間減少，表明植物凋落物產(chǎn)生的類蛋白組分被微生物逐漸消耗。說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，說明低溫熱解生物炭促進了微生物反硝化過程。同時，300℃生物炭與蘆葦?shù)蚵湮锏慕Y(jié)合對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，這可能是因為這種生物炭更易被微生物分解，從而支持甲烷氧化細菌的活動，減少CH4產(chǎn)生。此外，添加碳源的人工濕地的CO2排放顯著高于對照組，但不同碳源類型對CO2排放的影響不顯著。

圖5功能基因的相對豐度和相關(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。類腐殖質(zhì)組分與硝酸鹽氮濃度正相關(guān)，而類蛋白組分與硝酸鹽氮濃度負相關(guān)，這可能促進了微生物活動，提高了硝酸鹽的去除效率。

小結(jié)

這項工作報道了一種能同時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、溶解性有機質(zhì)和微生物活動等方面揭示了此方法的作用機理。研究強調(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環(huán)境科學與工程學院。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。主持中國博士后科學基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究青年基金等項目。

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

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