近日，我校水利與環(huán)境學(xué)院張馨文副教授課題組在環(huán)境領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Water Research》上發(fā)表了題為“A new insight on simultaneous water purification and greenhouse gas reduction by constructing sulfur-siderite driven autotrophic denitrification pathways in constructed wetlands”的研究論文,，主要研究在人工濕地中構(gòu)建鐵硫膠膜多電子體系以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)和溫室氣體的雙減排,。該論文第一作者為環(huán)境工程2022級(jí)碩士研究生馮成業(yè),，通訊作者為其導(dǎo)師張馨文副教授,。
人工濕地由于綠色生態(tài)和經(jīng)濟(jì)可行的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用,。然而,，在處理低碳氮比廢水時(shí),，傳統(tǒng)人工濕地的脫氮效率往往受限于碳源缺乏,，且其運(yùn)行過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生溫室氣體,，增加了碳足跡，限制了其應(yīng)用場(chǎng)景,。硫-菱鐵礦自養(yǎng)反硝化（SSAD）工藝使得生物脫氮過程擺脫對(duì)碳源的依賴,，是一種極具潛力的新型脫氮技術(shù)。本研究通過在人工濕地中構(gòu)建鐵硫膠膜多電子體系,，旨在強(qiáng)化人工濕地水質(zhì)凈化效果的同時(shí)控制溫室氣體排放,，為提升人工濕地的整體環(huán)境效益提供新思路。
圖1 鐵硫膠膜多電子體系人工濕地的構(gòu)建,、雙減排效果及作用機(jī)制
以硫-菱鐵礦混合填料作為基質(zhì)的濕地（SS-CW）在長(zhǎng)達(dá)220天的運(yùn)行過程中表現(xiàn)出最佳的脫氮除磷性能,，總氮和磷酸鹽的平均去除率分別為91.6%和96.3%，各項(xiàng)出水指標(biāo)均符合國家城市污水排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),。相較于傳統(tǒng)人工濕地,，SS-CW的甲烷和氧化亞氮排放減少了76.7%和93.4%，有效減少了濕地碳足跡,。通過對(duì)微生物活性,、功能基因、微生物群群落結(jié)構(gòu)以及微生物代謝途徑的分析,，揭示了SS-CW優(yōu)秀凈化性能的機(jī)制,。研究結(jié)果表明，在人工濕地中構(gòu)建SSAD途徑可以實(shí)現(xiàn)：1）微生物活性的增強(qiáng)：顯著提高電子傳遞活性，強(qiáng)化硝化和反硝化過程,，優(yōu)化系統(tǒng)脫氮效果,，提高系統(tǒng)電子利用效率；2）關(guān)鍵基因豐度的增加：溫室氣體減排和污染物去除相關(guān)基因的豐度在SS-CW中顯著提高,；3）微生物群落結(jié)構(gòu)的優(yōu)化：更多的硫自養(yǎng)反硝化菌和甲烷氧化菌在SS-CW中富集,，形成了協(xié)同作用更強(qiáng)的功能性微生物群落；4）代謝能力的提升：甲烷消解途徑顯著提升,，碳代謝過程增強(qiáng),，電子的產(chǎn)生和傳遞活性全面提升。優(yōu)化了碳,、硫,、氮和鐵的耦合循環(huán)，為水質(zhì)凈化和溫室氣體減排提供了充足的能量支持,。
圖2 鐵硫膠膜多電子體系中典型溫室氣體減排機(jī)理圖
本研究證實(shí)了在人工濕地中構(gòu)建鐵硫膠膜多電子體系能實(shí)現(xiàn)高效的水質(zhì)凈化和溫室氣體減排,，并深入探究了其作用機(jī)制，為低碳氮比廢水的高效脫氮處理提供了新的技術(shù)途徑,。該研究成果對(duì)推動(dòng)人工濕地技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,，實(shí)現(xiàn)水污染控制和溫室氣體減排的雙重目標(biāo)具有重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)值。上述研究受國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目,、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目及山東省優(yōu)秀青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的資助,。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135425000442
撰稿：張馨文 編輯：劉孟頔 編審：張偉
