人工濕地作為一種綠色、生態(tài)的污水凈化技術(shù)，在全球范圍內處理的污水類(lèi)型在不斷增加，運行數量和污水處理規模在持續快速增加，對水污染控制起到了重要作用，但人工濕地較高的溫室氣體排放在很大程度上降低了其綜合生態(tài)環(huán)境效益。因此，迫切需要探明人工濕地溫室氣體排放機制，研發(fā)可同步實(shí)現水質(zhì)高效凈化與溫室氣體減排的技術(shù)措施。目前，國內外相關(guān)研究主要集中于人工濕地溫室氣體排放的定量化及影響因素識別方面，對于人工濕地中溫室氣體排放的關(guān)鍵過(guò)程與微生物學(xué)驅動(dòng)機制等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題尚不明確，針對人工濕地溫室氣體減排技術(shù)的研究更鮮有報道。針對上述關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)需求，東北地理所科研人員率先開(kāi)展了系統研究，并取得了系列重要成果。
植物類(lèi)型、濕地結構和進(jìn)水水質(zhì)等因素在人工濕地溫室氣體產(chǎn)生、排放和運輸中起著(zhù)重要的作用。對3種常用人工濕地植物（美人蕉、風(fēng)車(chē)草和蘆葦）的溫室氣體排放研究發(fā)現，相同進(jìn)水條件下CO2、CH4和N2O排放通量最高值分別出現在美人蕉、蘆葦和風(fēng)車(chē)草人工濕地中，且美人蕉人工濕地的全球增溫潛勢（GWP）最低。在濕地結構方面，潛流和表流人工濕地的CO2排放通量無(wú)顯著(zhù)差異，但潛流濕地CH4排放通量顯著(zhù)高于表流濕地、N2O排放通量和GWP顯著(zhù)低于表流濕地。隨著(zhù)進(jìn)水COD/N比增加，CO2排放通量隨之增加，最低的CH4、N2O排放通量和GWP均出現在進(jìn)水COD/N比為10的處理組。
基于q-PCR分析，初步揭示了人工濕地溫室氣體排放的微生物學(xué)驅動(dòng)機制，發(fā)現N2O排放通量與編碼亞硝酸還原酶的nirS和nirK基因豐度成正相關(guān)關(guān)系，而與nosZ /（nirS + nirK）比值成負相關(guān)關(guān)系（圖1、圖2），表明nosZ基因的表達活性和含nosZ基因的反硝化菌豐度的增加，有助于微生物直接將N2O還原為N2，從而減少系統N2O的凈排放。此外，結合水質(zhì)凈化效率數據，優(yōu)化出可同時(shí)獲得較低溫室氣體排放量與較高污染物去除效率的最佳人工濕地是潛流美人蕉濕地，進(jìn)水COD/N比以10為最優(yōu)。
圖1 不同植物類(lèi)型人工濕地的功能基因豐度 圖2 不同COD/N比時(shí)人工濕地的功能基因豐度
在人工濕地溫室氣體協(xié)同減排方面，發(fā)現生物炭添加對不同溫室氣體排放的影響存在明顯差異，沒(méi)有影響CO2排放，但顯著(zhù)促進(jìn)了CH4的排放、顯著(zhù)減少了N2O排放，并使潛流人工濕地的GWP降低了57.3%。這一發(fā)現有助于客觀(guān)評價(jià)生物炭調控過(guò)程中對不同類(lèi)型溫室氣體排放的正負效應。基于q-PCR分析，發(fā)現添加生物炭的人工濕地中nosZ基因轉錄和nosZ /（nirS + nirK）比值均有所增加（圖3），進(jìn)而驅動(dòng)了N2O排放通量的降低。研究還發(fā)現，生物炭強化可同步提升人工濕地對COD、NO3--N和TN的去除效率，實(shí)現水質(zhì)凈化與溫室氣體減排的協(xié)同。這一成果將為優(yōu)化人工濕地設計、提升其綜合生態(tài)環(huán)境效益提供重要的科學(xué)支撐。
圖3 生物炭強化前后人工濕地的功能基因豐度變化
該研究由東北地理所碩士研究生陳欣（第一作者）、祝惠研究員（通訊作者）等共同完成。研究成果于近期發(fā)表在國際期刊Journal of Cleaner Production、Chemical Engineering Journal、Chemosphere上。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2016YFC0500404-4）、中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )（2017274）和研究所“一三五”規劃項目等的資助。論文信息如下：
Xin Chen, Hui Zhu, Baixing Yan, Brian Shutes, Defeng Xing, Gary Ba？uelos, Rui Cheng, Xinyi Wang. Greenhouse gas emissions and wastewater treatment performance by three plant species in subsurface flow constructed wetland mesocosms. Chemosphere, 2020, 239.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004565351932034X?via%3Dihub
Xin Chen, Hui Zhu, Baixing Yan, Brian Shutes, Liping Tian, Huiyang Wen. Optimal influent COD/N ratio for obtaining low GHG emissions and high pollutant removal efficiency in constructed wetlands. Journal of Cleaner Production, 2020.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652620320503?via%3Dihub
Xin Chen, Hui Zhu, Gary Ba？uelos, Brian Shutes, Baixing Yan, Rui Cheng. Biochar reduces nitrous oxide but increases methane emissions in batch wetland mesocosms. Chemical Engineering Journal, 2020. 124842.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720308330?via%3Dihub
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