生物炭固定化耐冷菌强化人工湿地冬季污水处理效能及机制研究

针对低温下人工湿地(CWs)污染物去除效率降低的问题，研究人员通过生物炭固定化耐冷菌(Psychrotrophic bacteria)开展强化处理研究。结果表明，R3组对NH4+-N、TN、COD和TP的去除率分别达90.92%、89.44%、88.39%和96.95%，同时显著提升土壤酶活性和功能基因丰度，为寒冷地区污水处理提供低成本解决方案。

　　

冬季低温导致人工湿地污水处理效率骤降，成为制约其在高纬度地区应用的关键瓶颈。传统保温措施成本高昂，而游离微生物易流失、活性不稳定。针对这一难题，中国的研究团队创新性地利用生物炭固定化耐冷菌复合菌群（含Psychrobacter TM-1、Sphingobacterium TM-2和Pseudomonas TM-3），在《Journal of Water Process Engineering》发表的研究中实现了低温条件下污染物高效去除，为寒区污水处理提供了经济可持续的技术方案。

研究采用吸附法将混合菌群固定于生物炭载体，设置不同剂量组（R1/R3/R5）与对照组（R0A/R0B）进行垂直流人工湿地(VFCW)实验。通过五个月连续监测污染物去除率，结合土壤酶活性检测、可培养微生物计数及宏基因组分析，系统评估处理效果并揭示作用机制。

Enhanced sewage treatment capacity
R3组表现最优，NH₄⁺-N、TN、COD和TP去除率较对照组提升23.6-40.2个百分点。生物炭的介孔/大孔结构为微生物提供稳定附着位点，其缓释碳源特性同步促进反硝化过程。

Soil enzyme activities
脲酶(Urease)、脱氢酶(Dehydrogenase)等关键酶活性提升0.25-3.0倍，表明生物炭-微生物协同作用显著强化了氮磷代谢通路。

Culturable microorganisms
硝化/反硝化细菌数量增加0.39-2.0倍，而可培养真菌减少34-48%，证实菌群结构向污染物降解功能方向定向优化。

Metagenomic analysis
宏基因组数据显示氮磷代谢相关基因（如amoA、nirK）及三羧酸循环(TCA cycle)功能基因显著富集，从分子层面解释代谢活性增强机制。

该研究突破性地将生物炭的物理稳定性与耐冷菌代谢特性相结合：生物炭抵抗冻融循环破坏载体结构，其表面官能团促进生物膜形成；固定化菌群通过协同作用克服单菌株环境适应性差的缺陷。相比传统藻酸盐/沸石载体，该方案运行成本降低60%以上，且能抑制CH₄/N₂O排放，兼具环境与经济双重效益。研究为寒区污水处理的微生物强化技术提供理论依据，其"载体-菌群-植物"协同调控策略对生态工程技术在极端环境的应用具有普适指导价值。