東北地理所揭示不同碳源對(duì)微生物燃料電池耦合人工濕地碳氮?dú)怏w排放的影響及機(jī)制
微生物燃料電池耦合人工濕地（MFC-CWs）因其優(yōu)越的污水凈化效率以及產(chǎn)電性能在水污染處理領(lǐng)域日益受到重視。東北地理所水環(huán)境污染與防治研究團(tuán)隊(duì)在前期研究中發(fā)現(xiàn)，MFC-CWs相較于傳統(tǒng)人工濕地可減少特定氣體（N2O、CH4和NH3）的排放（Zhu et al.,2022），同時(shí)發(fā)現(xiàn)碳源作為共基質(zhì)，對(duì)調(diào)節(jié)污染物去除和氣體生成具有至關(guān)重要的作用，并評(píng)估了進(jìn)水C/N比對(duì)MFC-CWs凈化效率、碳氮?dú)怏w排放、產(chǎn)電性能的影響（Niu et al.,2023）。然而，碳源類型對(duì)MFC-CWs綜合效能的影響及其微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制尚不明確。為此，研究團(tuán)隊(duì)近期在《Journal of Cleaner Production》上發(fā)表論文揭示了四種碳源（葡萄糖、乙酸鈉、蔗糖及淀粉）對(duì)MFC-CWs污染去除效率和碳氮?dú)怏w排放的影響，并從微生物學(xué)角度分析了其影響機(jī)制。
研究結(jié)果表明，以葡萄糖作為碳源能顯著提升MFC-CWs對(duì)化學(xué)需氧量（COD）及總氮（TN）的去除效率，COD去除率達(dá)到86.77%，TN去除率達(dá)到93.85%；由于葡萄糖對(duì)系統(tǒng)中nir和nosZ基因以及電子競爭的調(diào)控，顯著抑制了CO2、N2O和氨氣（NH3）的排放，但因增加了mcrA和pmoA基因的豐度，從而在一定程度上促進(jìn)了甲烷（CH4）的排放，整體上仍保持了最低的全球增溫潛勢(shì)（GWP）（圖1）。對(duì)于其他碳源，乙酸鈉在初始階段迅速分解，提供了大量不穩(wěn)定的碳源，導(dǎo)致該處理組二氧化碳（CO2）和N2O排放量增加；淀粉處理組在總磷（TP）去除上表現(xiàn)最佳，蔗糖處理組對(duì)銨氮（NH4+-N）去除效率最高。
圖1 MFC-CWs系統(tǒng)中碳源調(diào)控碳氮?dú)怏w排放的機(jī)制
該研究闡明了不同碳源在提升MFC-CWs系統(tǒng)污水處理效率及減少碳氮?dú)怏w排放中的潛力，為助力水污染處理領(lǐng)域的碳減排目標(biāo)提供了新的思路和技術(shù)路徑。相關(guān)成果發(fā)表在《Journal of Cleaner Production》上，聯(lián)培碩士生牛婷婷（現(xiàn)為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在讀博士生）為第一作者，?；菅芯繂T為通訊作者，東北師范大學(xué)何春光教授為共同通訊作者。研究工作得到中國科學(xué)院“人工濕地水-氣協(xié)同調(diào)控”創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、“一帶一路”國際科學(xué)組織聯(lián)盟和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。
論文信息及鏈接如下：
Tingting Niu,Hui Zhu*,Brian Shutes,Chunguang He*. (2024) Gaseous carbon and nitrogen emissions from microbial fuel cell-constructed wetlands with different carbon sources: Microbiota-driven mechanisms. Journal of Cleaner Production. 435,140404. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.140404
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