東北地理所揭示不同碳源對微生物燃料電池耦合人工濕地碳氮氣體排放的影響及機制
微生物燃料電池耦合人工濕地（MFC-CWs）因其優越的污水凈化效率以及產電性能在水污染處理領域日益受到重視。東北地理所水環境污染與防治研究團隊在前期研究中發現，MFC-CWs相較于傳統人工濕地可減少特定氣體（N2O、CH4和NH3）的排放（Zhu et al.,2022），同時發現碳源作為共基質，對調節污染物去除和氣體生成具有至關重要的作用，并評估了進水C/N比對MFC-CWs凈化效率、碳氮氣體排放、產電性能的影響（Niu et al.,2023）。然而，碳源類型對MFC-CWs綜合效能的影響及其微生物驅動機制尚不明確。為此，研究團隊近期在《Journal of Cleaner Production》上發表論文揭示了四種碳源（葡萄糖、乙酸鈉、蔗糖及淀粉）對MFC-CWs污染去除效率和碳氮氣體排放的影響，并從微生物學角度分析了其影響機制。
研究結果表明，以葡萄糖作為碳源能顯著提升MFC-CWs對化學需氧量（COD）及總氮（TN）的去除效率，COD去除率達到86.77%，TN去除率達到93.85%；由于葡萄糖對系統中nir和nosZ基因以及電子競爭的調控，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了甲烷（CH4）的排放，整體上仍保持了最低的全球增溫潛勢（GWP）（圖1）。對于其他碳源，乙酸鈉在初始階段迅速分解，提供了大量不穩定的碳源，導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）去除上表現最佳，蔗糖處理組對銨氮（NH4+-N）去除效率最高。
圖1 MFC-CWs系統中碳源調控碳氮氣體排放的機制
該研究闡明了不同碳源在提升MFC-CWs系統污水處理效率及減少碳氮氣體排放中的潛力，為助力水污染處理領域的碳減排目標提供了新的思路和技術路徑。相關成果發表在《Journal of Cleaner Production》上，聯培碩士生牛婷婷（現為中國科學技術大學在讀博士生）為第一作者，祝惠研究員為通訊作者，東北師范大學何春光教授為共同通訊作者。研究工作得到中國科學院“人工濕地水-氣協同調控”創新交叉團隊項目、國家自然科學基金、“一帶一路”國際科學組織聯盟和中國科學院青年創新促進會的支持。
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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