木屑-黄铁矿复合生物滞留系统对氮去除及N2 O排放控制的协同机制研究

为解决城市雨水管理中氮去除效率低及N2 O排放高的难题，研究人员创新性地构建木屑-黄铁矿复合生物滞留系统(W-PB)，通过混合营养反硝化途径实现高效脱氮(81.4% NO3 - -N去除率)和N2 O减排(较传统系统降低41.4%)。研究揭示了木屑促进黄铁矿分解、增强电子传递系统活性(ETSA)及NOS酶活性的协同机制，为低碳型雨水处理系统设计提供理论支撑。

　　

随着气候变化导致极端降雨事件频发，城市雨水管理面临氮污染和温室气体排放的双重挑战。传统生物滞留系统存在脱氮效率不稳定、溶解性有机物泄漏等问题，更棘手的是其厌氧淹没区会产生强温室气体N₂
O（全球增温潜势是CO₂
的298倍）。现有改良策略多聚焦单一营养模式——或添加有机碳源促进异养反硝化（易引发二次污染），或采用黄铁矿驱动自养反硝化（启动慢且效率低），而对其N₂
O减排潜力关注不足。

针对这一技术瓶颈，同济大学环境科学与工程学院的研究团队在《Water Research X》发表创新成果，通过将木屑与黄铁矿分层耦合构建混合营养系统(W-PB)，在120天实验中实现"脱氮-控排"双突破：NO₃
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-N平均去除率达81.4%，N₂
O排放通量(13.21 μgN₂
O-N/(m²
·h))较传统沙基系统(SB)和单黄铁矿系统(PB)分别降低41.4%和28.5%。研究首次从电子传递链和微生物代谢功能角度，阐明了木质纤维素与硫铁矿物协同增效的分子机制。

研究采用三大关键技术：①构建模拟降雨柱实验系统（含5层采样端口和淹没区），对比SB、PB、W-PB三组处理效能；②结合扫描电镜(SEM)和能量色散谱(EDS)解析介质表面形态演变；③通过高通量测序、电子传递系统活性(ETSA)检测及NAR/NIR/NOR/NOS酶活测定，揭示微生物代谢网络。

2.1 营养盐去除与N₂
O排放
在7天干旱期(ADD)下，W-PB的NO₃
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-N去除率升至90.0%，其淹没区反硝化潜力(0.3735 ng N/(g·h))是PB的2.06倍。关键发现是木屑通过缓释碳源使NO₂
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-N积累量降低67%，从而减少N₂
O前体。每去除1mg氮的N₂
O排放量在W-PB中仅184.77 μg，显著优于PB(271.57 μg)和SB(377.29 μg)。

2.2 基质特性与微生物分析
SEM显示木屑使黄铁矿腐蚀坑扩大3倍，促进Fe²⁺
和SO₄
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释放。ETSA活性提升1.8倍，关键酶NIR和NOS活性分别增加142%和89%。高通量测序发现W-PB淹没区富集硫铁转化菌Thauera(19.3%)和电子穿梭菌Defluviimonas(9.3%)，其完整反硝化通路确保NO₂
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-N快速转化为N₂
。

2.3 W-PB脱氮机制
研究提出"双区协同"模型：①好氧区木屑降解形成生物膜"反硝化热点"，②厌氧区黄铁矿分解提供持续电子流，③醌类物质介导的电子穿梭加速NOS酶对N₂
O的还原。这种级联反应使系统在碳硫共代谢下实现"电子流再分配"，突破传统系统电子竞争瓶颈。

该研究为城市雨水处理提供低碳优化方案，其创新点在于：①首次量化木屑-黄铁矿组合对N₂
O排放因子的抑制效果；②揭示木质素衍生醌类物质在电子传递中的桥梁作用；③开发出兼顾脱氮效率(>80%)与减排效益(CO₂
当量降低1.2kg/m²
·a)的工程化配置参数。研究结果已被纳入上海市海绵城市建设技术指南，在张江科学城等项目中实现工程转化。未来可进一步探索植物-微生物-矿物三元互作机制，推动生物滞留系统从"污染控制"向"碳中和"功能跨越。