生物炭改良在毛细带区域形成的显著湿度梯度显著降低了人工湿地的N2O排放量

《Environmental Research》：The steep moisture gradient induced by biochar amendment in the capillary zone significantly reduced N 2O emissions in constructed wetlands

湿地系统同步提升总氮去除率与降低一氧化二氮排放的研究。通过在毛细管区和表层添加高持水能力生物炭，发现毛细管区处理显著提升总氮去除效率28.1%，并使N?O/TN值降低92.6%。生物炭通过形成陡峭水分梯度促进氧化还原反应平衡，增强反硝化细菌电子传递效率（102%提升），富集携带nosZ基因的Rhodanobacter等菌群，有效将N?O还原为N?。表层添加则破坏整体氧化还原平衡。该研究为优化湿地系统生物炭配置提供理论支撑。

　　在水处理领域，人工湿地（Constructed Wetlands, CWs）作为一种生态友好的技术，被广泛应用于农村生活污水处理、农业非点源污染控制以及废水的深度处理。其优势在于能够以较低的成本实现高效的氮去除效果，同时减少对环境的负面影响。然而，尽管CWs在氮去除方面表现出色，其在减少氮氧化物（N?O）排放方面的潜力尚未得到充分开发。N?O作为一种强效温室气体，其排放不仅影响气候变化，还可能对生态环境造成破坏。因此，如何在保持氮去除效率的同时有效降低N?O的排放，成为当前研究的一个重要方向。

在人工湿地系统中，氮的去除主要依赖于不同区域的生物化学过程。在好氧区域，硝化细菌主导的硝化作用将氨氮（NH??-N）转化为硝酸盐（NO??-N）；而在厌氧或缺氧区域，反硝化细菌则通过反硝化作用将硝酸盐还原为氮气（N?）。这一过程的顺利进行依赖于湿地内部红ox条件的分布与平衡。然而，湿地内部的红ox条件往往呈现空间异质性，尤其是在不同区域之间，如好氧区与厌氧区之间的过渡带。这种红ox条件的不均衡可能干扰氮转化过程中的电子供体与受体之间的平衡，从而导致N?O的产生。

N?O的生成通常与硝化和反硝化过程中的中间产物有关。在硝化过程中，部分硝酸盐可能被进一步氧化为N?O，而在反硝化过程中，N?O可能是反硝化细菌在将硝酸盐还原为氮气的过程中产生的副产物。此外，当溶解氧（DO）渗透到厌氧微区时，兼性异养反硝化细菌可能会优先选择更有利的有氧呼吸途径，从而抑制N?O还原酶基因（nosZ）的表达，进而阻止N?O向氮气的转化，最终导致N?O的积累。此外，系统中有机碳的供应不足也可能限制反硝化细菌的电子传递过程，使其在N?O生成阶段停滞，进一步加剧N?O的排放。

为了应对这一挑战，研究者们开始关注如何通过调控湿地内部的红ox条件来优化N?O的减排。近年来，一些研究探讨了不同类型的CWs在操作条件和影响因素方面的表现，试图通过调整参数来促进完整的反硝化过程，从而减少N?O的排放。然而，由于湿地类型、植物种类组成以及具体应用环境的多样性，仅依靠操作调整来实现N?O减排仍然面临诸多困难。例如，在垂直流人工湿地（VFCWs）中，碳氮比（C/N）主要影响硝化过程中的N?O生成，而在地表流和地下流人工湿地中，由于硝化过程受到限制，C/N比对N?O生成的影响则更多体现在反硝化过程中。

与此同时，研究者们发现，N?O的减少主要依赖于N?O还原微生物的作用。这些微生物能够将N?O进一步还原为氮气，从而形成N?O的生物性汇。更重要的是，N?O还原微生物的还原能力远超其自身产生N?O的能力，其还原能力可以达到生产能力的2-10倍。因此，建立由微生物介导的局部N?O还原区，可能成为有效减少N?O排放的关键策略。例如，在自然水陆交错生态系统中，研究人员发现，在海洋缺氧区上方的氧化还原过渡层中，微生物群落表现出显著的N?O消耗能力，该区域的N?O还原微生物相对丰度明显高于下方的缺氧区域。这一发现表明，人工湿地中可能也存在类似的氧化还原过渡区，成为N?O减排的潜在区域。

人工湿地的分层结构，包括好氧表层和厌氧/缺氧底层，为建立N?O还原区提供了基本条件。此外，位于水位上方的毛细区，由于毛细水、空气和填料颗粒共存，可能形成一个具有陡峭氧浓度梯度的区域。然而，目前人工湿地中使用的填料颗粒通常直径较大（通常在厘米或毫米尺度），这会降低毛细水的上升高度，并导致填料颗粒之间形成较大的孔隙，使得好氧区与饱和区之间的氧浓度梯度逐渐减弱，不利于形成陡峭的氧梯度。因此，提高毛细区的含水量，有助于减少该区域的氧气含量，从而建立一个有利于N?O减排的区域。

生物炭作为一种富含碳的产物，是通过生物质热解获得的。其多孔结构赋予了其优异的水保持能力，而表面丰富的含氧官能团（如羟基、羧基）则使其具有良好的亲水性。因此，生物炭在提高湿地含水量方面表现出色。此外，生物炭表面的红ox活性官能团（如羟基和羰基）可能促进电子传递过程，使其成为一种电子穿梭体，协调系统中的电子供体与受体之间的平衡。因此，将生物炭添加到人工湿地的毛细区，不仅可以提高该区域的含水量，还可能增强红ox条件的分布与平衡，从而促进N?O的减排。

本研究基于上述假设，建立了一个部分饱和的垂直流人工湿地系统，并设置了三个不同的处理组。其中，对照组仅使用石英砂作为填料，而另外两个处理组则在毛细区和表层填料中分别添加了相同比例和厚度的生物炭。通过对比这三个系统的运行效果，研究旨在探讨生物炭的添加及其在不同区域的分布对氮转化过程的影响，明确生物炭在N?O减排中的关键作用，并分析生物炭添加对微生物群落特征及相互作用的影响。

研究结果表明，生物炭在毛细区的添加显著提高了人工湿地的总氮（TN）去除效率，并有效降低了N?O的排放。具体而言，与未添加生物炭的对照组相比，TN去除效率提高了28.1%，而N?O/去除TN的比值下降了92.6%。这表明生物炭的添加不仅增强了氮的去除能力，还显著减少了N?O的生成。生物炭在毛细区的引入形成了一个陡峭的水分梯度，这有助于促进湿地内部红ox反应的分区与平衡，从而抑制N?O的生成。同时，生物炭还增强了毛细区中N?O还原细菌的电子传递效率，使得其细胞色素C含量增加了102.0%。这一变化显著促进了携带nosZ基因的微生物群落（如Rhodanobacter、Comamonas、Flavobacterium、Flavihumibacter和Simplicispira）的富集，这些微生物能够捕获毛细区和饱和区中产生的N?O，并将其还原为氮气，从而形成一个N?O排放屏障。

相比之下，生物炭在表层填料中的添加虽然增强了局部的硝化作用，但却破坏了整个湿地系统的红ox平衡。这表明生物炭的添加位置对其对氮转化和N?O排放的影响具有决定性作用。因此，为了实现同步的氮去除和N?O减排，生物炭的配置应更加注重其在毛细区的分布，以最大程度地发挥其对红ox条件调控和微生物活动的促进作用。

综上所述，本研究通过在毛细区添加生物炭，有效提高了人工湿地的氮去除效率，并显著降低了N?O的排放。这一发现为优化生物炭配置以实现同步氮去除和N?O减排提供了重要的理论依据。同时，研究还揭示了生物炭在促进微生物群落结构变化和功能多样性方面的潜力，为未来人工湿地的设计和运行提供了新的思路和方向。