农业废弃物改良的人工湿地中，温度调节下的氮去除效率与微生物群落动态之间的协同作用

《Environmental Technology & Innovation》：Temperature-Mediated Synergy Between Nitrogen Removal Efficiency and Microbial Community Dynamics in Agricultural Waste-Amended Constructed Wetlands

农业废弃物作为碳源对人工湿地低温脱氮的影响及微生物机制研究。摘要：通过添加香蕉茎、菠萝海绵和小麦麸皮三种农业废弃物作为碳源，构建人工湿地系统，研究不同温度（10、20、30℃）下对氮去除效率及微生物群落的影响。结果表明：所有废弃物均有效提升脱氮效率，其中香蕉茎系统在低温下表现更稳定，30℃时NO??-N去除率达98.69%；微生物群落中Proteobacteria、Chloroflexi等占主导，关键菌种Candidatus_Competibacter、Desulfatiglans等协同增强脱氮能力。

　　本研究探讨了在不同温度条件下，使用农业废弃物作为固态碳源的生态湿地系统对水产养殖废水进行脱氮处理的效果及其微生物群落变化。随着水产养殖业的迅速发展，其产生的废水对生态环境构成了显著挑战，特别是高氮含量的特性使得高效的脱氮技术成为保障生态健康和实现可持续水产养殖的关键。传统生物脱氮方法在低温环境下表现不稳定，而水产养殖废水通常具有较低的碳氮比（C/N），这限制了其脱氮效率。因此，研究者尝试引入农业废弃物作为外部碳源，以提高脱氮性能。

农业废弃物因其低成本、易获取、持续释放碳源以及较低的生物毒性而被广泛认为是理想的脱氮碳源。在本研究中，选择了香蕉杆、丝瓜海绵和小麦壳三种农业废弃物作为固态碳源，并构建了相应的生态湿地系统。这些系统在不同温度条件下（10℃、20℃和30℃）被评估其污染物去除效率和相关微生物群落动态，以推动低温环境下的脱氮策略发展。

研究结果表明，这三种农业废弃物都能有效作为生态湿地的碳源。脱氮性能表现出明显的温度依赖性，其中小麦壳对温度变化最为敏感，而香蕉杆的敏感性最低。在添加碳源的生态湿地中，随着温度的降低，氮去除效率显著下降。在30℃条件下，硝酸盐氮（NO??-N）和总氮（TN）的去除率均超过了90.0%和80.0%。然而，在20℃时，香蕉杆生态湿地（BS-CW）和丝瓜海绵生态湿地（LS-CW）的TN去除率分别为76.21±10.88%和78.13±12.45%，显著高于小麦壳生态湿地（WH-CW）的54.21±12.39%以及未添加碳源的对照组（CK-CW）的7.18±3.91%。在10℃时，四种系统的TN去除率差异变得不显著，这表明在极端低温条件下，农业废弃物的脱氮效果受到较大限制。

微生物群落分析显示，所有生态湿地中占主导地位的门类包括变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteriota）和拟杆菌门（Bacteroidetes）。关键的属，如Candidatus_Competibacter、Methylocystis、Candidatus_Methylospira、Desulfatiglans和Anaeromyxobacter，被确认为脱氮过程中的重要贡献者。这些属通过农业废弃物分解与脱氮路径之间的协同关系，促进了氮的去除。

本研究提供了关于碳源类型、温度适应性和微生物群落功能之间关系的重要见解，有助于提高低温条件下生态湿地对水产养殖废水的氮去除能力。农业废弃物作为碳源在生态湿地中展现出良好的应用潜力，尤其是在维持微生物活性和氮去除效率方面。

在实验设计中，构建了三种不同的生态湿地系统，分别使用香蕉杆、丝瓜海绵和小麦壳作为碳源，以及一个不添加碳源的对照系统。实验采用了垂直上流式生态湿地，其结构包括一个55.0厘米高、10.0厘米直径的聚甲基丙烯酸甲酯容器，底部铺设了一层厚度为10.0厘米的石英砂（粒径2.0-4.0毫米），随后添加了不同种类的农业废弃物碳源和200.0毫升的脱氮污泥。所有系统均种植了相同密度的Cyperus involucratus Rottboll植物。实验过程中，废水的流量由蠕动泵控制，保持恒定的100±8.4毫升/小时。每个温度阶段（10℃、20℃和30℃）的运行周期为20天，每隔两天对进水和出水中的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、铵氮、总氮、总磷、化学需氧量（COD）和溶解氧（DO）浓度进行测量，并记录pH值的变化。

实验结果显示，在所有系统中，溶解氧浓度均低于1.0毫克/升，pH值维持在6.77至7.02之间。随着温度的降低，硝酸盐氮的浓度在所有碳源增强的生态湿地中呈现上升趋势。统计分析表明，不同温度条件下硝酸盐氮去除效率存在显著差异（P < 0.05），其中30℃时去除效率最高。在10℃时，所有系统的氮去除效率趋于一致，表明极端低温条件下的脱氮效果受到较大限制。此外，香蕉杆生态湿地在不同温度条件下表现出较高的化学需氧量浓度，这可能是其脱氮性能优于其他系统的原因之一。

研究还发现，农业废弃物作为碳源对总磷（TP）的去除效果与温度存在一定的关联。在20℃时，使用农业废弃物的系统显示出显著的总磷去除效率，而在30℃和10℃时，所有系统的总磷去除效果较为相似。这表明，虽然温度对磷的去除有一定影响，但在实验条件下，农业废弃物的添加对磷的去除作用相对较小。

微生物群落分析进一步揭示了不同温度条件下生态湿地中微生物组成的差异。通过主坐标分析（PcoA）基于Bray-Curtis距离，研究发现不同温度条件下的微生物群落呈现出明显的聚集趋势，其中丝瓜海绵生态湿地（LS-CW）表现出最显著的温度诱导变化。主要的微生物门类包括变形菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、酸杆菌门（Acidobacteriota）和脱氮菌门（Desulfobacterota）。这些门类中的微生物在脱氮过程中发挥重要作用，如变形菌门中的某些菌种能够促进硝酸盐向亚硝酸盐的转化，而绿弯菌门则在硝酸盐氧化和厌氧消化过程中具有重要功能。

在不同温度条件下，香蕉杆生态湿地（BS-CW）表现出最高的化学需氧量浓度和最稳定的脱氮性能。这可能与其较高的厚壁菌门相对丰度有关，厚壁菌门中的某些菌种能够有效降解农业废弃物中的纤维素，促进有机物的释放，从而提高脱氮效率。此外，香蕉杆生态湿地的温度敏感性最低，这表明其在低温条件下仍能维持较高的脱氮能力。

研究还通过皮尔逊相关分析探讨了生态湿地脱氮性能与相关微生物之间的潜在关系。结果表明，化学需氧量浓度与亚硝酸盐氮的积累呈显著负相关，而与硝酸盐氮的去除率呈显著正相关。在属水平上，Candidatus_Competibacter、Candidatus_Methylospira、Desulfatiglans和Anaeromyxobacter与硝酸盐氮去除率、总氮去除率和化学需氧量浓度呈正相关，同时与亚硝酸盐氮的积累呈负相关。这些菌属可能在不同温度条件下的脱氮过程中起到关键作用。

总体而言，本研究揭示了农业废弃物作为固态碳源在不同温度条件下对生态湿地脱氮性能的影响及其微生物群落的变化。研究结果表明，农业废弃物在低温环境下的脱氮效果存在一定的局限性，但其在维持微生物活性和氮去除效率方面仍展现出良好的应用潜力。未来的研究需要进一步验证这些关键菌属在脱氮过程中的具体作用，以期开发更高效的低温脱氮策略。