生物炭耦合水位优化通过宏基因组分析提升垂直流人工湿地脱氮效能并抑制N2 O排放

针对垂直流人工湿地(VFCWs)脱氮效率低、N2 O排放高的难题，研究人员通过耦合40%生物炭改良与45 cm水位调控，结合宏基因组和16S rRNA测序技术，揭示生物炭通过增强电子传递活性(ETS)促进硝化基因(amoA/hao)表达，使总氮去除率达73.4%，N2 O/TN比值降至0.3%，为低碳型污水处理提供新策略。

　　

---

随着全球对可持续污水处理需求的增长，垂直流人工湿地(VFCWs)因其低能耗优势成为研究热点。然而，传统VFCWs存在总氮(TN)去除效率低、强温室气体N₂
O排放高的双重困境。这主要源于其好氧环境抑制反硝化过程，而不完全硝化/反硝化又导致N₂
O积累。水位调控虽能改变氧化还原环境，但单独使用效果有限；生物炭因其独特的电子传递能力和持水性被寄予厚望，但关于其与水位协同作用机制的研究仍属空白。

为解决这一难题，广西某研究团队在《Journal of Environmental Management》发表研究，通过构建三种不同生物炭比例(0%/20%/40%)的VFCWs系统，结合多组学技术揭示了生物炭-水位协同调控氮循环的分子机制。研究发现40%生物炭与45 cm水位组合使TN去除率提升至73.4%，同时将N₂
O排放强度降至0.3%，首次明确了不同水文带(不饱和区/毛细区/饱和区)的功能基因响应规律。

关键技术方法
研究采用宏基因组测序解析微生物功能基因，16S rRNA测序追踪群落结构，电子传递体系(ETS)活性测定评估代谢活力。实验设置QS-CW(纯石英砂)、20W-CW(20%生物炭)和40W-CW(40%生物炭)三组系统，水位梯度设置为35-65 cm，水力停留时间24小时。水质指标包括COD、NH₄
⁺
-N、TN、NO₃
^-
-N和N₂
O通量监测。

研究结果

1. 污染物去除性能
   40W-CW在45 cm水位时表现最优：COD去除率81.2%，NH₄
   ⁺
   -N去除率96.1%，TN去除率73.4%，显著高于对照组(QS-CW仅52.7%/30.2%/40.1%)。N₂
   O/TN比值从QS-CW的1.8%骤降至0.3%。

2. 功能基因响应

• 不饱和区：amoA(氨单加氧酶基因)和hao(羟胺氧化酶基因)分别激增929%和454%，驱动Nitrosomonas等硝化菌丰度提升75.2%，强化NH₄
  ⁺
  -N→NO₃
  ^-
  -N转化。
• 毛细区：nosZ(N₂
  O还原酶基因)增加19.2%，使该区转变为N₂
  O消耗层，Ferrovibrio等反硝化菌增幅达1724%。ETS活性较QS-CW提升72.5%。
• 饱和区：amoA增加591%而nxrB(亚硝酸盐氧化酶基因)降低20%，促进短程硝化反硝化路径。

1. 微生物群落重构
   生物炭显著提升Thauera(357%)、Ramlibacter(707%)等反硝化功能菌，同时增强Hyphomicrobium(78.5%)的N₂
   O还原能力。

结论与意义
该研究首次阐明生物炭通过三重机制优化VFCWs性能：① 持水性改善氧梯度分布，② 电子穿梭功能促进氮转化，③ 选择性富集功能菌群。40%生物炭与45 cm水位的组合使VFCWs同步实现高效脱氮(73.4%)与低碳排放(N₂
O/TN 0.3%)，为"双碳"目标下的污水处理工艺革新提供理论支撑。研究建立的"水文带-功能基因-微生物群落"关联模型，为人工湿地的精准调控提供了新范式。