《Bioresource Technology》：Carbon–sulfur regulation for deep nitrogen removal in
Arundo donax straw/elemental sulfur-amended surface flow constructed wetlands: Metagenomic and metabolomic insights
编辑推荐：
•1:1 芦竹（A. donax）/S0 实现了 77.6% 的总无机氮去除率，且净硫酸盐积累量较低。•芦竹（A. donax）/S0 比例失衡与电子供体限制或硫化物/DNRA 风险相关。•垂直剖面显示下层碳释放量和硝酸盐氮减少。•1:1 比例表现出更强的碳氧化和硫转化潜力。
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1:1 芦竹（A. donax）/S0 实现了 77.6% 的总无机氮去除率，且净硫酸盐积累量较低。
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芦竹（A. donax）/S0 比例失衡与电子供体限制或硫化物/DNRA 风险相关。
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垂直剖面显示下层碳释放量和硝酸盐氮减少。
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1:1 比例表现出更强的碳氧化和硫转化潜力。
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多组学分析表明碳-硫代谢与氮去除之间存在关联。
引言
城市二级处理出水中的残余硝酸盐仍是受纳水体氮负荷的重要来源，需要进一步脱氮以进行高级污水净化（Chen et al., 2025; Zhou et al., 2024）。地表流人工湿地（SFCW）为出水深度处理提供了一种低能耗方案（Wu et al., 2023）。然而，SFCW 的开放水面结构有利于大气复氧，导致氧化还原分层，形成好氧表层和厌氧或兼性厌氧底层区（Sun et al., 2019）。在低碳氮比（C/N）条件下，电子供体不足会进一步限制反硝化作用（Wang & Chu, 2016）。
植物来源的木质纤维素生物质因其来源广泛、成本低廉且能支持微生物附着，是低碳氮比污水有吸引力的固体碳源（Ma et al., 2022; Wang & Chu, 2016）。芦竹（A. donax）秸秆富含纤维素、半纤维素和木质素，可被微生物逐步水解和发酵，释放可溶性有机化合物和挥发性脂肪酸（VFAs），从而为异养反硝化提供电子供体（Zhao et al., 2020）。然而，植物基质的碳释放具有阶段性特征，易降解组分迅速释放，随后活性碳耗竭可能在运行过程中降低电子供体的可利用性（Zhang et al., 2024; Zhao et al., 2020）。以元素硫（S0）驱动的自养反硝化为低碳氮比污水的氮去除提供了一条互补的电子供体途径（Qiu et al., 2020）。然而，S0 的微生物利用受其低溶解度和界面传质的限制，硫转化过程可能伴随硫酸盐生成、局部酸化以及 HS?/S2? 等还原性硫中间体的积累（Chen et al., 2025; Qiu et al., 2020; Zhou et al., 2025）。硫的可得性和转化产物的变化可能通过影响反硝化与异化硝酸盐还原为铵（DNRA）之间的竞争关系，进一步影响硝酸盐的命运（Li et al., 2022a）。
既往研究表明，将有机碳源与基于硫的电子供体结合可以提高混合营养反硝化效率（Li et al., 2022b; Ma et al., 2022; Zhou et al., 2022）。在一项使用碱处理玉米芯/S0 作为复合填料的填料床反应器研究中，出水硝酸盐氮浓度降至 0.31 mg/L，硫酸盐积累量为 72.4 mg/L（Ma et al., 2022），表明强化氮去除可能伴随硫相关副产物生成的增加。有机补充物也被证明可以改变基于硫的反硝化系统中氮和硫的转化（Qiu et al., 2020），而将植物来源碳源与 S0 结合用于人工湿地的可行性近期也已得到验证（Chen et al., 2025）。因此，此前的工作已建立了有机补充物的效果以及固碳-硫组合的可行性，但在 SFCW 中，植物来源固碳与 S0 的相对投加量如何影响氮去除性能和硫相关风险仍不清楚。与进水有机补充不同，植物来源的木质纤维素碳和 S0 均以固体基质形式投加，但通过不同过程变得可利用：木质纤维素的逐步水解和发酵与难溶性 S0 的界面及微生物介导转化（Qiu et al., 2020; Zhao et al., 2020）。因此，在植物碳投加量固定的情况下，进一步增加 S0 投加量是否能持续改善氮去除，以及在植物碳投加量减少而 S0 比例增加时，氮去除、硫相关副产物生成和 DNRA 潜力如何响应，仍有待确定。由于 SFCW 中的垂直氧化还原梯度和基质附着生物膜可形成本地反应微区（Wu et al., 2023），不同碳/S0 配置下的响应在湿地内也可能存在空间差异。宏基因组学和非靶向代谢组学可分别提供关于功能潜力和代谢响应的互补信息，有助于评估其与不同碳/S0 配置下氮去除性能之间的关联（Sun et al., 2024）。
本研究运行了六座不同 芦竹（A. donax）秸秆/S0 配置的 SFCW，处理模拟的低碳氮比二级出水。研究目标为：(i) 评估不同基质配置下的氮去除性能、硫相关副产物积累和 DNRA 风险，并确定所测试配置中的最佳配置；(ii) 表征 SFCW 内碳、氮、硫物种的垂直变化；(iii) 整合宏基因组学和非靶向代谢组学，鉴定与不同基质配置性能相关的微生物功能潜力和代谢响应。本研究为平衡处理低碳氮比污水的混合营养 SFCW 中氮去除与硫相关风险的基质配置提供了见解。
章节摘要
SFCW 的构建、接种与运行
使用 10 mm 厚的聚甲基丙烯酸甲酯构建了六座实验室规模 SFCW，内部尺寸为 80 cm × 20 cm × 70 cm（长 × 宽 × 高）。底部填充 30 cm 厚的土壤层形成植物根系区，上方保持 30 cm 水深，有效水量约为 48 L。每座 SFCW 中移栽六株香蒲（Acorus calamus），初始高度约 90 cm。功能性基质均匀分布
不同芦竹（A. donax）/S0 配置下的污染物去除性能
进水 C/N 比仅为 0.34–0.93，远低于完全异养反硝化的化学计量需求（3.5–4.0）（Juan-Díaz et al., 2022）。未添加基质的对照 4# 在整个实验期间总无机氮去除有限，平均去除率为 10.4 ± 4.0%，出水溶解氧浓度为 4.57 ± 0.98 mg/L（图 1a；见补充材料）。4# 中的氮去除可能与植物吸收和土壤等背景过程有关
结论
在所测试条件下，1:1 芦竹（A. donax）/S0 配置是总氮去除的最佳配置。该配置在稳定期的总无机氮去除率为 77.6 ± 5.7%，后期硝酸盐氮去除率为 79.9 ± 4.8%，ΔSO4/ΔTIN 比为 1.47 mg SO4/mg N。垂直剖面显示下层碳释放和硝酸盐氮还原集中，而溶解氧总体向上增加。宏基因组分析表明 1:1 配置
CRediT 作者贡献声明
Yanjie Zhang：起草原文，可视化，软件，数据整理。Huan Wang：软件，方法学。Yu Ling：可视化，监督指导。Haiyan Wang：审阅与编辑，经费获取。Shu Wang：数据整理。Xiyao Wang：调查研究，形式分析。Fan Liu：可视化，方法学。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
我们衷心感谢国家自然科学基金委员会（编号：52170173）提供的经费支持。
Yanjie Zhang | Huan Wang | Yu Ling | Haiyan Wang | Shu Wang | Xiyao Wang | Fan Liu
