東北地理所在人工濕地多種氣體協同減排方面取得重要研究進展
人工濕地在面源污染控制與水環境治理方面發揮了重要作用。但因溫室氣體和氨氣的排放，存在將“水污染”轉嫁為“大氣污染”的風險，特別是在碳減排和大氣污染防治目標需求背景下，同步實現水質凈化與多種氣體減排已成為當前人工濕地研究的國際前沿與熱點。以往研究的焦點主要集中在如何提高人工濕地的凈化效能方面，對溫室氣體或氨氣排放的關注較少，缺乏主要碳氮氣體同步減排技術的研發；此外，微生物介導下碳、氮在人工濕地多介質間的遷移轉化機制還不明晰。
東北地理所水環境污染與防治研究團隊近年來聚焦人工濕地水-氣協同調控中的理論和技術瓶頸問題，開展了系列創新研究。在前期研究成果的基礎上（Chen et al., 2020a; 2020b; 2020c），基于電化學、微生物學等相關學科的原理，將微生物燃料電池體系耦合到人工濕地中，構建了新型潛流人工濕地，并驗證了其對主要溫室氣體（CH4、N2O）和NH3的減排功能。研究發現，與傳統潛流人工濕地相比，耦合人工濕地不僅能產生電能，污水凈化效率也顯著提升，還實現了對多種氣體的協同減排，其CH4、N2O和NH3的排放通量分別降低34%、28%和52%。微生物燃料電池促進了人工濕地中反硝化細菌（如Bacteroidetes、Rhodobacteraceae等）數量以及nirK、nirS基因豐度的增加，從而抑制了N2O的生成與排放；產電菌（如Proteobacteria、Firmieutes和Geobacter等）與產甲烷微生物的競爭以及pomA、mcrA基因豐度的減少有助于控制CH4排放；此外，耦合系統更高的氮去除能力也降低了水相中氨離子濃度，從而減少了NH3揮發通量（圖1）。
該研究從全新的視角詮釋了微生物燃料電池耦合人工濕地系統的工作機制與功能，研究成果為同步實現人工濕地高效水質凈化和多種碳氮氣體減排提供了新的思路，將為“雙碳”戰略目標需求背景下低排放型人工濕地的設計提供重要的理論依據和技術支持。
圖1 微生物燃料電池耦合人工濕地對多種氣體的協同減排機制
該研究成果于近期發表在水環境領域國際權威期刊《Water Research》上，由祝惠研究員（第一作者和通訊作者）、牛婷婷（共同第一作者）等人共同完成。相關研究受中科院人工濕地水-氣協同調控創新交叉團隊項目（JCTD-2020-14）、國家自然科學基金（U21A2037）、“一帶一路”國際科學組織聯盟專題聯盟（ANSO-PA-2020-14）和中科院青年創新促進會優秀會員項目（Y2021068）的共同資助。
論文信息及鏈接如下：
Zhu, H.*, Niu, T.T., Shutes, B., Wang, X.Y., He, C.G., Hou, S.N. (2022) Integration of MFC reduces CH4, N2O and NH3 emissions in batch-fed wetland systems. Water Research. 226, 119226. https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.119226
前期系列研究成果信息如下：
Chen, X. Zhu, H.*, Yan, B.X., Shutes, B., Tian, L.P., Wen, H.Y. (2020a) Optimal influent COD/N ratio for obtaining low GHG emissions and high pollutnat removal efficiency in constructed wetlands. Journal of Cleaner Production. 122003.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652620320503?via%3Dihub
Chen, X. Zhu, H.*, Ba？uelos, G., Shutes, B., Yan, B.X., Cheng, R. (2020b) Biochar reduces nitrous oxide but increases methane emissions in batch wetland mesocosms. Chemical Engineering Journal. 124842.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720308330?via%3Dihub
Chen, X. Zhu, H.*, Yan B.X., Shutes, B., Xing, D.F., Banuelos, G., Cheng, R., Wang, X.Y. (2020c) Greenhouse gas emissions and wastewater treatment performance by three plant species in subsurface flow constructed wetland mesocosms. Chemosphere. 239, 124795.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004565351932034X?via%3Dihub
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