综述：农业硝酸盐污染的生物修复——挑战与机遇

本综述系统探讨了农业排水硝酸盐（NO3–）污染的生物修复策略，重点分析了湿地、反硝化生物反应器、饱和缓冲带等技术在低温、低碳氮比（C/N）条件下的应用挑战，并展望了生物刺激（Biostimulation）、生物强化（Bioaugmentation）及新型技术（如藻菌颗粒污泥）在提升脱氮效率与可持续性方面的潜力。

　　

农业 subsurface drainage 作为硝酸盐污染的主要来源

氮肥是农业生产中最重要的营养源，但超过50%的施用量未被作物吸收，而是通过土壤淋溶或地表径流进入水体。其中，以硝酸盐（NO₃^–）形式存在的氮通过地下排水系统快速进入周边水域，导致下游河流、湖泊和海洋的富营养化。农业排水中的硝酸盐还会污染地下水井，引发婴儿高铁血红蛋白血症、甲状腺疾病和结直肠癌等健康问题。

农业排水的特征

农业排水与生活污水和畜禽粪便具有显著差异：硝酸盐（NO₃^–）浓度高（9-18 mg N L^-1），铵盐（NH₄⁺）浓度低（0-1 mg N L^-1），有机碳含量低（TOC和DOC通常<1-6 mg L^-1），碳氮比（C/N）仅约0.15，且水温较低（3-14°C）。这些特性使得传统污水处理技术难以直接应用，而生物修复技术需在低成本、低维护的农村环境中实现。

微生物氮转化反应

氮吸收与释放

植物、藻类和微生物通过吸收NH₄⁺或NO₃^–构建生物质，但若未被收割，有机氮会分解释放无机氮，重新进入循环或污染水体。

反硝化（Denitrification）

反硝化是微生物在缺氧条件下将NO₃^–逐步还原为NO、N₂O和N₂的呼吸过程。多数反硝化菌为异养型，需有机碳作为电子供体；部分自养型反硝化菌可利用H₂、S⁰等无机物。不完全反硝化会导致N₂O排放，其温室效应潜能是CO₂的273倍。

硝酸盐呼吸与异化硝酸盐还原为铵（DNRA）

部分微生物可将NO₃^–还原为NO₂^–或NH₄⁺（DNRA过程）。DNRA不利于氮的彻底去除，但因与反硝化菌竞争碳源，需通过调控C/N比抑制其活性。

硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化（n-DAMO）与产氧反硝化

n-DAMO菌可通过一氧化氮歧化反应（2NO → N₂ + O₂）产生O₂并氧化甲烷。该过程避免N₂O生成，且广泛存在于农业排水系统中，具有同步减排CH₄和N₂O的潜力。

厌氧氨氧化（Anammox）

Anammox菌在厌氧条件下以NH₄⁺和NO₂^–为底物产生N₂，但农业排水低NH₄⁺和低温特性限制了其应用。

化学反硝化（Chemodenitrification）

非生物性的NO₃^–还原过程常与生物反硝化共存，可能贡献N₂O排放，但其在农业排水处理中的作用尚不明确。

当前氮污染 mitigation 技术

自然与人工湿地

湿地通过植物吸收和微生物反硝化去除氮，但效率受营养负荷、水力停留时间（HRT）和温度影响，年均总氮去除率约39%。需占用土地资源是其局限之一。

反硝化生物反应器

填充木屑或玉米芯的沟槽系统为反硝化提供碳源，氮去除率在14%-66%之间。低温下微生物活性降低，且可能发生碳泄漏或N₂O排放。玉米芯反应器在低温下性能更优，但分解快、需频繁补充。

饱和 riparian buffers

通过控制水位使排水在植被区滞留，促进反硝化，年氮负荷削减率30%-50%。需土壤有机质>1.2%且渗透性适中，长期监测N₂O排放风险。

控制排水

通过调节出水口水位减少排水总量，间接降低氮负荷（30%-50%），但对硝酸盐浓度影响有限，且对反硝化微生物群落的影响尚不明确。

控制排水沟渠

在沟渠中设置低堰延长水力停留时间，模拟湿地功能，可实现超过50%的氮负荷削减，但效率受季节和流域规模影响。

未来方向

生物强化（Bioaugmentation）

接种低温反硝化菌（如假单胞菌、微螺旋菌）或真菌可提升系统性能，但菌体易被冲刷。固定化技术（如封装）或接种真菌菌丝体可增强滞留性。n-DAMO菌与产氧反硝化菌的应用潜力待进一步开发。

生物刺激（Biostimulation）

添加乙酸、甲醇等碳源可显著提升反硝化效率，但可能引发碳泄漏或非反硝化代谢消耗。优化碳投加策略（如基于NO₃^–浓度实时调控）或通过曝气促进真菌降解木质纤维素，可提高碳利用效率。

替代技术

藻菌颗粒污泥技术通过形成易沉降的颗粒体，同步实现脱氮与 biomass 回收，适用于低温排水处理，但农业场景应用仍需探索。

多污染物同步处理

农业排水中的磷、农药、除草剂可在处理系统中被截留或降解，但需警惕磷的释放风险。N₂O排放通常低于1%，但仍需持续监测。

结语

农业硝酸盐污染的生物修复需结合多种技术（如湿地、生物反应器、缓冲带）与管理实践（精准农业、缓释肥）。未来需跨学科合作，优化系统设计、提升微生物活性，并关注多污染物协同去除，以实现农业可持续发展。