《Bioresource Technology》：A dual-solution for coastal cities: global potential of
Ulva prolifera biochar in macroalgal waste disposal and wastewater nitrogen removal enhancement
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•生物炭的效果取决于原料和热解温度。•UBC-500使累积反硝化和厌氧氨氧化分别增加了334%和220%。•在UBC-500条件下，反硝化作用占氮转化的91.9%。•UBC-500的响应伴随着更早的γ-变形菌富集。•产率-性能分析表明，在测试范围内500 °C更优。引言主要由
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生物炭的效果取决于原料和热解温度。
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UBC-500使累积反硝化和厌氧氨氧化分别增加了334%和220%。
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在UBC-500条件下，反硝化作用占氮转化的91.9%。
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UBC-500的响应伴随着更早的γ-变形菌富集。
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产率-性能分析表明，在测试范围内500 °C更优。
引言
主要由人为营养盐富集驱动，沿海富营养化和反复发生的藻类水华构成了持续的环境和经济挑战（Hu等，2017；Paerl等，2014）。2003年至2020年的卫星观测在153个国家中的126个检测到沿海藻类水华，并揭示其空间范围增加了13.2%，频率增加了59.2%（Dai等，2023）。由浒藻物种形成的绿潮发生在六大洲，其中黄海浒藻水华尤其广泛且反复发生（Hu等，2017；Joniver等，2021）。黄海藻华估计湿生物量在2008年和2009年分别达到约1.9×106和1.6×106吨（Hu等，2019）。2008年事件的管理费用超过1亿美元，不包括对养殖和旅游业造成的损失（Weir等，2022）。这些水华施加了巨大的管理和社会经济负担，而收集生物量的经济可行用途仍然有限（Joniver等，2021；Weir等，2022）。沿海城市同时面临严格的废水脱氮要求，特别是在有机碳不足限制生物处理并需要添加外部碳源的地方（Usman等，2022）。因此，将收集的浒藻转化为活性污泥改良剂可能将绿潮管理负担转变为本地来源的废水脱氮材料。
生物炭的特性，包括产率、碱度、元素组成、表面化学和孔隙结构，强烈依赖于原料和热解温度（Dai等，2018；He等，2024；Manikandan等，2023；Tomczyk等，2020）。添加生物炭可以改变废水处理系统中的微生物附着、pH缓冲、碳可用性、氧化还原条件和氮循环群落（Guo等，2020；Hu等，2022；Li等，2022a；Li等，2022b；Zhang等，2024）。然而，先前的研究考察了单一原料、狭窄的温度范围或短期响应，使原料和热解温度对脱氮的交互效应仍未解决（Ghorbani和Amirahmadi，2024；Kim等，2012；Qiu等，2025；Xin等，2024；Zhao等，2013）。
海洋大型藻类和木质纤维素质秸秆是成分上不同的原料。浒藻富含多糖、蛋白质、灰分、盐分和矿物质，但木质素含量相对较低（Dai等，2018；Mao等，2019）。相比之下，小麦秸秆主要由纤维素、半纤维素、木质素和含硅矿物组成（Li等，2025；Yuan等，2018）。因此，它们的生物炭可能在pH、孔径分布、碳氮特征和可水浸矿物特征上存在差异。然而，系统比较藻类和木质纤维素生物炭在同一热解温度梯度上的研究仍然稀少，特别是关于长期氮转化和功能微生物群落的方面。
活性污泥中氮的命运取决于反硝化（DEN）、厌氧氨氧化（anammox；ANA）和反硝化作用（DNRA）之间的竞争。DEN和ANA以气态产物形式去除活性氮。相比之下，DNRA将硝酸盐或亚硝酸盐转化为铵，从而将活性氮保留在处理系统中，可能抵消净脱氮（Li等，2022a；Li等，2022b；Wang等，2022b）。生物炭研究通常评估氮浓度、去除效率或选定功能基因，但很少有研究使用基于同位素的过程测量在长期孵育期间定量分配DEN、ANA和DNRA（Wang等，2022b）。过程响应主要与功能群落组成、功能基因多样性还是物种关联拓扑相关也尚不清楚。
我们假设原料组成将改变依赖于温度的生物炭特性和氮途径分配。我们预期中等温度的浒藻生物炭（UBC）将产生最强的脱氮响应，伴随nirS、nosZ和nrfA携带群落的组成和网络拓扑变化，而不是α多样性的均匀增加。因此，我们比较了在300–700 °C下生产的UBC和小麦秸秆生物炭（WBC），并量化它们对污泥特性、90天累积氮转化活性、功能群落和关联网络的影响。我们还评估了材料特性、污泥条件、微生物属性和过程速率之间的关联，并评估了可收集绿潮生物量与废水脱氮之间的潜在联系。
章节摘要
生物炭的制备与表征
于2023年7月在中国青岛马岛附近（36.05° N，120.43° E）采集浒藻，2023年6月在青岛市郊（36.58° N，120.54° E）采集小麦秸秆。去除可见杂质后，两种原料均用去离子水冲洗五次，切成约5厘米的段落，在50 °C下干燥72小时，研磨，再次干燥至恒重，并通过60目筛网（≤0.25毫米）。此冲洗过程去除了粘附的杂质，但未定义电导率。
浒藻和小麦秸秆生物炭的基本特性
生物炭的物理化学特性随原料和热解温度而变化（图1b–o）。SEM显示热解后孔隙发育日益明显，特别是在600–700 °C时（图1b）。EDS映射表明两种生物炭系列中碳富集，高温WBC中硅信号更强（图1c）。EDS衍生的UBC表面碳含量从UBC-0的16.74%增加到UBC-700的42.07%，而氧从48.83%降低到24.18%。表面氮在UBC-400时达到9.60%。
讨论
生物炭对氮转化的效果强烈依赖于原料和热解温度。在测试材料中，UBC-500产生了最高的累积反硝化和厌氧氨氧化，并增加了反硝化作用对总氮转化的贡献，而其对DNRA的抑制与WBC-500实现的相当。500 °C时的最大过程响应与最大的比表面积或总孔容积不一致，表明脱氮
结论
生物炭性能共同依赖于原料和热解温度。UBC-500产生了最强的响应，使累积反硝化和厌氧氨氧化分别增加了334.3%和220.4%，并将反硝化贡献提高到91.9%。尽管UBC-500和WBC-500产生的DNRA降低相当，但它们的反硝化和厌氧氨氧化响应差异显著。UBC-700具有最高的比表面积和孔容积，但脱氮性能低于UBC-500。
CRediT作者贡献声明
郭鹏：撰写—审稿与编辑，撰写—初稿，可视化，监督，软件，调查，正式分析，数据整理。林先彪：撰写—审稿与编辑，撰写—初稿，方法论，资金获取，概念化。李明：正式分析，数据整理。孔天天：正式分析，数据整理。张伊威：正式分析，数据整理。王璨：验证，监督。王子豪：调查。徐松科：调查。李萌：
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作由国家自然科学基金（编号：42371104）和广西科技重大专项（编号：GUIKEAD22035968）资助。我们感谢编辑和匿名审稿人对本文提出的宝贵意见。
郭鹏|林先彪|李明|孔天天|张伊威|王璨|王子豪|徐松科|李萌|林根梅|刘苏梅|韩龙
