降雨事件中生物滞留系统土壤层功能微生物的向下迁移及其对脱氮效能的影响机制研究

针对生物滞留系统在降雨初期脱氮功能启动缓慢的问题，研究人员通过模拟不同有机质含量（1%-6%）和温度（4°C/25°C）的土壤环境，揭示了Thauera菌属（相对丰度0.06%-25.14%）及其携带的narG/nirK基因（拷贝数8.1×105 -9.9×107 copies g-1 ）的迁移规律，发现低温（4°C）下胞外聚合物（EPS）中PN/PS变化削弱微生物黏附力，促进功能菌淋溶。该研究为优化生物滞留系统启动策略和土壤条件选择提供了理论依据。

　　

随着城市化进程加速，暴雨径流携带的氮污染（NO₃
^-
-N浓度1-20 mg L^-1
）已成为水体富营养化的主要诱因。传统生物滞留系统因上层缺氧环境不足，脱氮效率受限，尤其在系统启动阶段，生物膜形成需30天以上，导致出水水质波动显著。更棘手的是，气候差异导致的土壤温度（4-30°C）和有机质含量（1%-7%）变化，会深刻影响功能微生物的迁移行为，但这一机制此前尚未阐明。

北京建筑大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表的研究，首次揭示了降雨事件中土壤层脱氮功能菌的垂直迁移规律及其环境响应机制。通过构建12组模拟柱实验，采用qPCR定量分析（检测narG/nirK基因拷贝数）、16S rRNA高通量测序（解析Thauera等菌属丰度）及EPS组分检测（测定蛋白质/多糖比例），系统研究了不同有机质（1%/2%/6%）和温度（4°C/25°C）条件下功能微生物的淋溶特性。

关键发现

1. 有机质驱动的功能菌富集：高有机质（6%）土壤中Thauera菌相对丰度提升25倍（0.06%→25.14%），携带narG基因的微生物拷贝数达9.9×10⁷
   copies g^-1
   ，比nirK携带者高1个数量级。
2. 低温对EPS的调控作用：4°C下EPS总量增加217.2%，其中多糖（PS）增幅（115.3%）显著高于蛋白质（PN），导致PN/PS下降，削弱微生物-土壤颗粒黏附力，促进淋溶。
3. 氮负荷的差异化影响：硝酸盐还原菌（narG携带者）在氮负荷增加时迁移量（9.9×10⁶
   copies g^-1
   ）始终高于亚硝酸盐还原菌（nirK携带者），但后者受低温抑制程度较轻。

研究意义
该研究阐明了生物滞留系统启动阶段的关键限制因子——功能微生物的垂直迁移效率。高有机质土壤通过富集Thauera等优势菌属，为下层饱和区快速构建脱氮功能群落提供"种子库"；而低温虽抑制整体菌群活性，却通过改变EPS疏水性促进微生物淋溶。这些发现为区域适应性设计提供了新思路：在寒冷地区可采用有机质改良土壤以补偿低温负面影响，而在高氮负荷区域需优先考虑narG菌株的定植能力。未来研究可基于此开发人工生物强化技术，通过预接种功能菌群缩短系统启动周期。