《Journal of Water Process Engineering》：Optimization of substrate-plant combinations in constructed wetlands for livestock wastewater treatment and greenhouse gas mitigation
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人工湿地处理畜牧废水时，基质-植物组合影响污染物去除与温室气体排放。研究显示 blast furnace slag 与 Canna indica 组合（BFS+CI-CWs）COD去除42±18%、TN去除87±4%、NH4+-N去除98±1%、NO3?-N去除80±8%，而 ceramsite 与 Canna indica 组合（CS+CI-CWs）减排总温室气体27-43%、GWP 10-42%。微生物分析表明，BFS+CI-CWs富集反硝化及耐 стресс菌，提升氮去除；CS+CI-CWs促进硝化及N2O还原菌，优化减排。Canna indica 是兼顾水质净化与减排的理想植物选择。
刘文|王登明|王玲|黄琼楼|于俊宏|吴洪宇|李亚莹|丹A
中国广东省农业与工程大学资源与环境学院农业土地污染防治与控制工程技术研究中心，广州，510225
摘要
人工湿地（CWs）被广泛用于处理畜禽废水；然而，在实现污染物去除与温室气体（GHG）排放之间的平衡仍是一个重大挑战。本研究系统评估了在高氮负荷畜禽废水条件下六种基质-植物组合的性能，重点关注污染物去除效率、温室气体排放特性以及背后的微生物调控机制。高炉矿渣与Canna indica（BFS + CI-CWs）组合表现出最高的去除效率，COD的平均去除率为42 ± 18%，TN为87 ± 4%，NH4+-N为98 ± 1%，NO3?-N为80 ± 8%。相比之下，陶粒与Canna indica组合（CS + CI-CWs）在减少温室气体排放方面表现更优，总温室气体排放量和全球变暖潜能（GWP）分别降低了27–43%和10–42%。微生物群落分析和功能基因分析进一步表明，基质-植物组合对人工湿地性能有重要影响。具体而言，BFS + CI-CWs组合富集了反硝化菌和耐逆境菌，增强了系统的适应性和氮去除效率；而CS + CI-CWs组合则促进了硝化菌和N2O还原菌的生长，使其更适用于以减少温室气体排放为目标的设计。总体而言，Canna indica被确定为一种既能有效净化水质又能减少温室气体排放的优选植物物种，其与特定基质的组合可根据具体处理目标进行策略性优化。
引言
畜禽废水的特点是含有高浓度的有机物和氮，主要来源于动物排泄物、剩余饲料和清洁操作。如果未经处理直接排放，会导致水生环境严重污染。先前的研究表明，畜禽废水的化学需氧量（COD）通常在200至583 mg/L之间，总氮（TN）浓度在40至85 mg/L之间[[1], [2], [3]]。因此，它被视为一种高强度废水。近年来，人工湿地（CWs）因其运行稳定、成本低、能耗低和管理简单等优点而被广泛用于处理畜禽废水[4,5]。人工湿地中的污染物去除主要依赖于植物吸收、基质吸附和微生物转化[6]。
在处理过程中，人工湿地不可避免地会通过碳和氮循环释放温室气体（GHGs），如CO2、CH4和N2O，从而加剧温室效应[7]。畜禽废水中的高有机负荷和氮含量进一步增加了温室气体排放的风险[8]。研究表明，作为人工湿地关键组成部分的植物和基质不仅影响污染物去除效率[9]，还在温室气体的产生和释放中起着重要作用[10,11]。然而，现有研究对于植物的作用存在争议：一些研究认为根际生物量和有机碳输入的增加会促进反硝化作用并增加N2O排放[12]，而另一些研究则发现无植被区域N2O通量更高，暗示根系吸收和氧气释放可能有助于抑制N2O排放[13]。
这些转化过程本质上是微生物驱动的[14]。具体而言，基质通过改变其物理化学性质来调节与氮循环相关的功能基因[15]，而根系分泌物和氧气传递则重塑了微生物群落结构[16]。尽管先前的研究揭示了植物和基质在湿地系统中的各自作用，但在畜禽废水条件下不同基质-植物组合的联合效应及其背后的微生物调控机制仍不够明确。
为了解决这些问题，建立了六个采用不同基质-植物组合的水平潜流式人工湿地来处理畜禽废水。本研究的目标是：（i）比较各种组合在污染物去除效率和温室气体排放方面的表现；（ii）确定既能有效净化水质又能减少温室气体排放的最佳组合；（iii）通过微生物群落分析和功能基因分析阐明人工湿地性能的关键驱动因素。本研究结合了污染物去除、温室气体减排和微生物机制，揭示了不同基质-植物组合在人工湿地中的双重功能和调控途径。研究结果为开发高效、低碳的湿地系统提供了理论和实践指导，以实现水质净化和排放减少的双重目标。
部分内容摘要
基质和植物
人工湿地的基质包括基础层和功能层（图1）。基础基质包括沙子（粒径：0.1–0.15 cm）、卵石（0.9–1.2 cm）和砾石（2–4 cm），功能基质为高炉矿渣（≤ 0.1 cm）和陶粒（1–2 cm）。
本研究选择了两种常用的湿地植物Canna indica和Typha orientalis（图1）。种子从当地苗圃购买，并在20 L聚乙烯容器中驯化14天后用于实验
整体污染物去除性能
在整个实验期间，进水温度（WT）保持稳定，平均值为24.9°C（表A1），出水温度为25.0–25.5°C（表A2）。这种温暖稳定的条件有利于微生物定殖和酶活性。进水的pH值为7.14。在陶粒系统中，出水pH值没有显著变化（7.16–7.32，p < 0.05）；而在高炉矿渣系统中，出水pH值显著升高（7.42–7.60，p < 0.05）（表A2）。
结论
基质-植物组合对人工湿地性能有显著影响。其中，高炉矿渣与Canna indica的组合（BFS + CI-CWs）实现了最高的净水效率，特别适合处理高氮废水。当同时考虑污染物去除和温室气体控制时，陶粒与Canna indica的组合（CS + CI-CWs）表现出更低的碳排放，表明其适用于低排放系统的设计。
CRediT作者贡献声明
刘文：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，调查，概念构思。王登明：撰写 – 原稿，调查。王玲：撰写 – 原稿，正式分析。黄琼楼：撰写 – 原稿，调查。于俊宏：撰写 – 审稿与编辑。吴洪宇：撰写 – 审稿与编辑。李亚莹：撰写 – 审稿与编辑。丹A：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了广东省农业科学院科技创新条件平台创新项目（ZHS2023-05）、广州市重点研发项目（2023B03J1362）、广东省重点高校项目（2022ZDZX4020、2022ZDZX4018）、广州市科技项目（2024E04J1228）以及广东省自然科学基金（2025A1515012763）的共同支持。
