冻融循环对地下废水渗透系统中宏基因组的影响：对温室气体排放的生态学意义

《Journal of Environmental Management》：Impact of freeze-thaw cycle on metagenomics in subsurface wastewater infiltration systems: Ecological implications for greenhouse gas emissions

冻融循环显著影响地下渗滤系统微生物群落及氮转化过程，宏基因组学与15N同位素追踪显示其促进反硝化菌增殖及基因表达，导致N2O排放量增加超20%。系统需优化冻融条件下的运行策略以降低温室气体排放。

　　

苏菲|李英华|朱超群|盖舍尔·阿布迪萨·古尔梅萨|方云婷

东北大学资源与土木工程学院，中国沈阳，110004

摘要

一氧化二氮（N₂O）是一种强效的温室气体，其全球变暖潜能是二氧化碳（CO₂）的273倍，同时也是废水处理过程中的重要副产物。地下废水渗透系统（SWIS）能够有效处理富含硝酸盐的废水，但在冻融循环期间也可能导致N₂O的排放。本研究利用宏基因组学和¹⁵N同位素追踪技术，探讨了冻融循环对SWIS中微生物生态和氮转化过程的影响。结果表明，冻融循环使反硝化细菌（Bradyrhizobium、Streptomyces和Nocardioides）的丰度平均增加了16–63%。反硝化相关基因（nirK和norB）的表达量分别增加了40 ± 16%和22 ± 5%，而N₂O还原酶基因（nosZ）的表达量则减少了19 ± 0.46%。这些变化共同导致N₂O的排放量增加了20%以上。在冻结过程中，大约三分之一的¹⁵NO₃^?-N以气体形式释放（其中25%为N₂O，13%为N₂）；而在融化过程中，这一比例上升至43%（29%为N₂O，15%为N₂）。因此，需要采取针对性措施来控制SWIS中的N₂O排放，尤其是在冻融条件下，以提高其废水处理的可持续性。

引言

一氧化二氮（N₂O）是一种强效的温室气体，其全球变暖潜能是二氧化碳（CO₂）的273倍（IPCC等，2023年），同时还会加剧臭氧层破坏（Speir等，2023年）。废水处理厂（WWTPs）是N₂O的主要来源，占人为N₂O排放总量的约3%和总N₂O排放量的6%（Gruber等，2020年；Yao等，2022年；Kemmou等，2023年；Domingo-Felez等，2019年）。在生物营养物去除（BNR）过程中，高达30%的进水氮会以N₂O的形式释放，尤其是在化学需氧量/氮（COD/N）比值较低的情况下（Itokawa等，2001年；Xie等，2023年）。在A²/O生物反应器中，当C/N比约为4时，N₂O-N的转化率为6–9%（Ren等，2015年）。

地下废水渗透系统（SWIS）通过反硝化作用将氨氮（NH₄⁺-N）和硝酸盐（NO₃^?-N）转化为氮气（N₂），是一种经济高效且环保的方法（Lai和Denton，2018年；Yang等，2022年；Jia等，2023年）。然而，N₂O也是该过程的副产物，中国的排放量通常在总氮浓度约为87 mg/L时为3至5 g/m³（Li等，2020b年）。Zhang等（2023a）报告称，在碳氮比为12的SWIS中采用间歇曝气方式，可实现超过80%的总氮去除率和小于1%的N₂O转化率。当有机负荷率为16.5 g生化需氧量（BOD）/（m²·d）时，也能实现超过80%的总氮去除率和32.4 mg/(m²·d)的N₂O排放率（Jiang等，2017年）。

我们之前的研究表明，SWIS中的N₂O排放量和转化率对操作参数（如水力负荷率和碳氮比）非常敏感（Li等，2017年、2018年、2019年；Peng等，2024年；Su等，2024a年）。然而，这些研究结果基于系统在稳定标准条件下的运行情况。目前尚缺乏关于系统在极端环境压力（尤其是冻融循环）下响应机制的深入了解，而由于气候变化，这类循环正变得越来越普遍。

之所以重点关注冻融循环而非一般的低温应力，是因为它们具有独特的机械和生理影响。虽然持续低温只会减缓微生物的新陈代谢，但冻融循环会导致土壤团聚体的反复破坏、先前被保护的有机物和营养物质的释放以及微生物细胞的裂解。这种突然的基质脉冲进入一个微生物群落不稳定的系统中，可能会引发N₂O产生的“高峰”，这与稳态低温的影响机制不同。

因此，本研究旨在探讨冻融循环如何影响SWIS中的氮转化过程。我们利用¹⁵N同位素追踪技术来研究其对N₂O产生、土壤性质和微生物群落的影响。我们的目标是了解这些循环如何影响氮的转化，识别关键的氮转化细菌，并探索在不同环境条件下减少N₂O排放的优化方法。研究结果有望帮助优化SWIS工艺，从而降低N₂O排放，并为气候变化背景下的废水处理提供新的策略。

系统描述与实验设计

实验使用了一个不锈钢模拟装置，具体设备细节见补充信息（文本S1）。该装置的高度为160厘米，直径为40厘米（见附件：图S1）。冷凝管安装在土壤柱的内壁上，从顶部向下延伸20至50厘米。土壤样本和参数检测器分别位于距离土壤柱60厘米、90厘米和120厘米的位置。

冻融循环对微生物群落结构的影响

对20种主要细菌属的热图分析显示，冻融循环显著影响了微生物群落（图1）。在属水平上，Cattenulispora和Acidiphilium的相对丰度分别减少了91.11%和95.31%，表明它们对冻融条件非常敏感。这种脆弱性可能会影响营养循环过程，凸显了氮转化微生物在冻融应力下的敏感性。

结论

研究表明，冻融循环显著影响了SWIS中的微生物群落动态和氮转化过程。冻融条件促进了反硝化细菌（如Bradyrhizobium、Streptomyces和Nocardioides）的生长，增强了反硝化作用。然而，冻融循环也抑制了负责N₂O还原的酶的活性，导致N₂O的积累。同位素追踪证实，在融化过程中气体氮的释放量增加。

作者贡献声明

苏菲：撰写初稿、方法论设计、数据整理。李英华：审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。朱超群：审稿与编辑、监督、数据分析。盖舍尔·阿布迪萨·古尔梅萨：审稿与编辑。方云婷：监督、方法论设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了沈阳科学技术计划（编号：23-407-3-03）和辽宁省教育厅基础研究基金（编号：JYTZD2023047）的支持。