人工湿地中利用芦苇秸秆和单质硫的混合营养型反硝化：强化脱氮、碳 - 硫相互作用及温室气体减排

《Environmental Research》：Mixotrophic denitrification with Arundo donax straw and elemental sulfur in constructed wetlands: enhanced nitrogen removal, carbon–sulfur interactions, and greenhouse gas mitigation

　　兼养型SFCW相比仅秸秆使TN去除率提高了24.16%，相比仅S?提高了213.15%。有机碳通过富集含硫相关菌群支持了硫转化过程。相比SFCW-AD，SFCW-ADS每去除单位TN的运营成本GWP降低了24.75%。宏基因组提示了一条与Fd_red相关的还原当量传递途径。代谢组学提示了硫转化和氧化还原介导的传递潜力。引言氮引起的富营养化仍然是全球水生生态系统面临的普遍挑战（Chang et al., 2026; Wang et al., 2022b）。尽管污水处理厂的生物脱氮工艺已被广泛采用，但二级出水中残留的硝酸盐氮（NO?-N）仍频繁导致受纳水体的水质恶化。为满足日益严格的排放标准，高效的深度脱氮技术至关重要（Wang et al., 2022b）。表面流人工湿地（SFCWs）因其低能耗、操作简便和生态效益，被认为是二级出水净化的关键技术（Wu et al., 2023）。SFCW的一个显著特征是其天然的垂直氧梯度，大气复氧维持了表层的有氧条件，而较深层则变为厌氧，从而为硝化和反硝化在单一系统中共存提供了生态位（Sun et al., 2019）。然而，在低碳氮比（C/N）出水中的可用电子供体匮乏是反硝化的核心瓶颈（Geng et al., 2024; Xu et al., 2025）。如果没有外源碳，反硝化将受到底物缺乏和电子传递效率低下的限制，导致脱氮不完全和温室气体（GHG）排放增加（Duan et al., 2021; Zhou et al., 2024b）。因此，构建具有持续电子供应和优化电子传递的增强系统对于克服这些限制至关重要（Xu et al., 2025）。近年来，如芦竹（Arundo donax，A. donax）秸秆和锯末等植物生物质被用作固体碳源来增强异养反硝化，因其成本低和缓释特性（Zhao et al., 2020; Zhou et al., 2024b）。这些基质为水解和发酵细菌提供了理想的生态位，可持续供应有机电子供体（Sun et al., 2022; Yang et al., 2021）。同时，由还原性硫化合物（如单质硫（S⁰）、黄铁矿）驱动的自养反硝化在低C/N废水处理中具有优势，特别是无需外源有机物和污泥产量低（Gao et al., 2026; Wang et al., 2022b）。然而，每条途径都有其固有的局限性：异养过程易受碳释放波动的影响，可能导致过量的溶解有机碳释放到出水中，而自养过程则受限于低溶解度、局部酸化以及较长的启动期（Kostrytsia et al., 2018; Sun et al., 2022）。因此，将异养和自养途径整合到兼养系统中已成为一种有前景的策略（Ma et al., 2025; Xu et al., 2025）。具体而言，Zhou等人（2024b）开发了一种锯末-黄铁矿生物滤器，总氮（TN）去除率达到92.00%，显著优于单途径系统。在SFCW中，生物膜-基质界面自然地存在由微生物呼吸作用建立的局部厌氧微区，为双电子供体和反硝化的整合提供了有利的微环境。当前对兼养反硝化的研究探索了使用各种硫源（如S⁰、黄铁矿）的脱氮性能，并基于16S rRNA测序或宏基因组分析优化了运行参数和表征了增强的电子传递（Chen et al., 2025; Li et al., 2022; Zhou et al., 2024b; Zhou et al., 2022）。例如，Xu等人（2025）观察到在乙酸增强的黄铁矿基兼养血清瓶中转录编码烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）脱氢酶的基因丰度增加。然而，大多数先前的研究主要研究了可溶性有机底物或矿物硫材料，而植物来源的木质纤维素碳与S⁰在SFCW中的功能作用仍了解不足（Qiu et al., 2020; Zhou et al., 2024b）。与可溶性碳源不同，木质纤维素生物质经历逐渐水解和发酵，提供了一个持续动态的碳释放过程，这可能影响长期湿地运行过程中微生物的分布和功能响应（Zhao et al., 2020）。先前的研究表明，有机碳的可用性可能通过硫基反硝化过程中还原性硫中间体的变化与硫转化过程相关（Cheng et al., 2026a; Qiu et al., 2020）。在复杂的SFCW系统中，异养和自养途径是独立运行还是通过微生物介导的碳-硫转化表现出潜在相互作用，仍需进一步研究。在电子载体水平上，传统观点主要关注糖酵解和三羧酸循环（TCA）中的NADH（E₀' = -320 mV）（Chang et al., 2026; Peng et al., 2024; Thauer et al., 1977; Xu et al., 2025），而对铁氧还蛋白（Fd_red，E₀' = -400至-500 mV）等替代低电位载体在兼养湿地系统中电子分配中的潜在贡献关注有限（Buckel & Thauer, 2013; Steffens et al., 2021）。最近，在厌氧微生物系统中报道了编码丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶（PFOR，EC 1.2.7.1）和2-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶（KOR，EC 1.2.7.3）基因丰度的增加（Lv et al., 2024; Zhou et al., 2023）。这些酶通常被认为是碳氧化和能量守恒的关键组成部分（Buckel & Thauer, 2013）。然而，与Fd_red相关的还原当量传递是否对碳-硫兼养系统中的电子分配有贡献仍不清楚。此外，大多数现有研究主要依赖宏基因组学来表征遗传潜力，而代谢水平的直接证据仍然稀缺；非靶向代谢组学提供了补充见解以完善基于基因的解释。因此，本研究建立了四个实验室规模的SFCW，包括添加了A. donax秸秆和/或S⁰的系统以及未添加的对照组。通过整合160天的运行性能、宏基因组学和非靶向代谢组学，具体目标是：(i) 评估兼养SFCW系统的脱氮性能和GHG排放，(ii) 评估A. donax来源的有机碳和S⁰是否通过微生物介导的相互作用相互关联，而不仅仅是作为平行的反硝化途径发挥作用，以及(iii) 探索与Fd_red相关的电子传递是否代表了与传统NADH介导途径互补的低电位候选途径。本研究旨在为废弃生物质的高值化和废水深度净化提供分子生态学见解和低碳管理策略。片段表面流人工湿地的构建、接种与运行用1厘米厚的聚甲基丙烯酸甲酯制作了四个长方体实验室规模的SFCW，每个总体积为112升（80厘米×20厘米×70厘米）。将30厘米深的土壤层装入SFCW中形成根区，土壤取自中国环境科学研究院。菖蒲（Acorus calamus，A. calamus）植株高度为74.83–77.67厘米，以38株/平方米的密度移植。为便于功能改良，七个尼龙网袋（孔径0.1厘米，20厘米脱氮性能四个SFCW在不同运行阶段的TN、NO?-N、NH??-N和NO?-N浓度随时间的变化见图1和表S2。在整个160天的运行过程中，SFCW-ADS的平均TN去除率达到794.45 mg N/(m2·d)，比SFCW-AD（639.88 mg N/(m2·d)）和SFCW-S（253.70 mg N/(m2·d)）分别高出24.16%和213.15%。在第一阶段，SFCW-ADS实现了最低的出水TN浓度（10.64 ± 0.23 mg/L）（图1a）和去除效率结论本研究显示，在SFCW中整合A. donax秸秆和S⁰实现了优异的TN去除率794.45 mg N/(m2·d)，分别比SFCW-AD和SFCW-S高出24.16%和213.15%。在串联运行模式下，出水TN浓度为3.07 ± 0.16 mg/L，去除效率为78.90%。重要的是，A. donax秸秆来源的有机碳支持了异养反硝化，并可能为硫酸盐还原提供了有机电子供体CRediT作者贡献声明Yu Ling：监督。Fan Liu：可视化、监督。Xiyao Wang：监督、形式分析。Ziyang Tian：资源。Huan Wang：方法学。Shu Wang：数据整理。Haiyan Wang：写作 – 审阅与编辑、资金获取。Yanjie Zhang：写作 – 原稿、可视化、软件、数据整理数据可用性数据可按要求提供。利益冲突声明作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。致谢我们感谢国家自然科学基金（编号52170173）的资助支持。Yanjie Zhang|Haiyan Wang|Yu Ling|Huan Wang|Ziyang Tian|Xiyao Wang|Fan Liu|Shu Wang