東北地理所在人工濕地溫室氣體排放關(guān)鍵過程與減排機制方面取得重要進展
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(nèi)處理的污水類型在不斷增加，運行數(shù)量和污水處理規(guī)模在持續(xù)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)可同步實現(xiàn)水質(zhì)高效凈化與溫室氣體減排的技術(shù)措施。目前，國內(nèi)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)鍵過程與微生物學驅(qū)動機制等關(guān)鍵科學問題尚不明確，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)鍵科學問題與技術(shù)需求，東北地理所科研人員率先開展了系統(tǒng)研究，并取得了系列重要成果。
植物類型、濕地結(jié)構(gòu)和進水水質(zhì)等因素在人工濕地溫室氣體產(chǎn)生、排放和運輸中起著重要的作用。對3種常用人工濕地植物（美人蕉、風車草和蘆葦）的溫室氣體排放研究發(fā)現(xiàn)，相同進水條件下CO2、CH4和N2O排放通量最高值分別出現(xiàn)在美人蕉、蘆葦和風車草人工濕地中，且美人蕉人工濕地的全球增溫潛勢（GWP）最低。在濕地結(jié)構(gòu)方面，潛流和表流人工濕地的CO2排放通量無顯著差異，但潛流濕地CH4排放通量顯著高于表流濕地、N2O排放通量和GWP顯著低于表流濕地。隨著進水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(xiàn)在進水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驅(qū)動機制，發(fā)現(xiàn)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(tǒng)N2O的凈排放。此外，結(jié)合水質(zhì)凈化效率數(shù)據(jù)，優(yōu)化出可同時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，進水COD/N比以10為最優(yōu)。
圖1 不同植物類型人工濕地的功能基因豐度 圖2 不同COD/N比時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(xiàn)生物炭添加對不同溫室氣體排放的影響存在明顯差異，沒有影響CO2排放，但顯著促進了CH4的排放、顯著減少了N2O排放，并使?jié)摿魅斯竦氐腉WP降低了57.3%。這一發(fā)現(xiàn)有助于客觀評價生物炭調(diào)控過程中對不同類型溫室氣體排放的正負效應。基于q-PCR分析，發(fā)現(xiàn)添加生物炭的人工濕地中nosZ基因轉(zhuǎn)錄和nosZ /（nirS + nirK）比值均有所增加（圖3），進而驅(qū)動了N2O排放通量的降低。研究還發(fā)現(xiàn)，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，實現(xiàn)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(shè)計、提升其綜合生態(tài)環(huán)境效益提供重要的科學支撐。
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研發(fā)計劃項目（2016YFC0500404-4）、中國科學院青年創(chuàng)新促進會（2017274）和研究所“一三五”規(guī)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 inbatch wetland mesocosms. Chemical Engineering Journal, 2020. 124842.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720308330?via%3Dihub附件下載：
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