锰基质人工湿地内短路效应革新：碳纤维介导的氮去除增效机制解析

针对人工湿地(CWs)中电子受体限制导致的铵态氮(NH4+-N)去除效率低的问题，研究人员创新性地将碳纤维(CFs)嵌入富锰基质(CF-CM)，构建内短路生物电化学系统。结果表明，CF-CM使NH4+-N和总氮(TN)去除率分别提升至8.1和13.1 gN/(m2·d)，并显著富集厌氧氨氧化菌(anammox)和电活性菌(EABs)，为低碳氮比废水处理提供了高效解决方案。

　　

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论文解读

在污水处理领域，人工湿地(CWs)因其低成本和生态友好特性备受青睐，但传统系统面临一个致命瓶颈：氮素去除效率受限于电子受体不足，尤其是处理低碳氮比废水时，铵态氮(NH₄⁺-N)的转化效率往往捉襟见肘。虽然富锰基质(MnO_x)能通过微生物代谢激活和吸附作用提升性能，但实际应用中仍需要长达3-7天的水力停留时间(HRT)，且系统内部存在显著的电子传递梯度。更令人头疼的是，传统微生物燃料电池(MFCs)的电极空间限制导致代谢活动仅集中在电极附近，远未发挥基质的全部潜力。

针对这一系列挑战，中国研究人员独辟蹊径，提出将碳纤维(CFs)嵌入富锰基质构建"内短路"系统(CF-CM)，通过模拟自然界的电子传递网络，打破空间限制。这项发表在《Bioresource Technology》的研究揭示，CFs如同搭建在微生物间的"纳米电线"，使整个湿地基质变为一个巨大的生物电化学反应器。

关键技术方法
研究团队建立了5组平行CWs系统，对比了不同填料(活性炭AC、锰矿MO及其复合物CM)的性能。通过qPCR基因芯片检测氮转化功能基因(如napA、hzsB)，结合胞色素C(Cyt-C)活性分析和16S rRNA测序，解析微生物群落响应机制。所有系统处理模拟低C/N比废水(HRT 6-36小时)，监测NH₄⁺-N、TN去除率及电子传递效率。

研究结果

Construction and operation of CWs
实验采用直径16 cm的PVC管构建垂直流CWs，CFs经酸碱预处理后垂直贯穿填料层。独特的四层结构设计(石英砂-混合填料-石英砂)优化了水力分布，其中CF-CM系统的锰基复合材料(φ=2.0-4.0 mm)展现出最佳物理化学特性。

Nitrogen removal performance during long-term test
在HRT=6小时的高负荷阶段(氮负荷率30.4 gN/(m²·d))，CF-CM的NH₄⁺-N和TN去除率分别达8.1和13.1 gN/(m²·d)，较对照组(CF-CK)提升3.1倍和5.4倍。值得注意的是，短HRT下系统仍保持稳定，打破传统Mn-CWs需要长HRT的桎梏。

Conclusions
CF-CM系统的成功归因于三重协同机制：(1)CFs构建的"内短路"网络促进电子跨区域转移，使胞色素C浓度提升2.8倍；(2)关键功能基因显著上调，其中nirS基因丰度最高，厌氧氨氧化基因簇(hzsA/hzsB/hzo)达3.22×10⁷ copies·g^?1，较对照提升288倍；(3)微生物群落重构，电活性菌(Geobacter)、厌氧氨氧化菌(Candidatus Brocadia)和反硝化菌(Thauera)形成互利共生网络。

这项研究不仅证实了"电子导管"策略可突破传统CWs的电子传递瓶颈，更开创性地将生物电化学原理与湿地工程相结合。其意义在于：(1)为低碳氮比废水处理提供"零能耗"强化方案；(2)揭示锰基材料作为"地理电池"与CFs"地理导体"的协同机制；(3)建立基于功能基因调控的精准优化模型。该技术有望在村镇污水、农业面源治理等领域实现规模化应用，推动人工湿地技术进入"电子调控"新时代。