微生物燃料电池耦合人工湿地（MFC-CWs）被广泛认为在污染物去除方面效果显著，同时具有较好的产电性能，并被证明相较于传统人工湿地可减少特定气体（N2O、CH4和NH3）的排放。但目前关于C/N比对MFC-CWs污水处理效能、温室气体及NH3排放、生物产电性能的影响尚不明确，相关微生物学驱动机制也亟需探究。 中国科学院东北地理与农业生态研究所水环境污染与防治研究团队科研人员在前期成果的基础上（Zhu et al., 2022），评估了不同C/N比（1、5、10、15）对MFC-CWs污染物（COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN和TP）去除效率、多种气体（CO2、CH4、N2O和NH3）排放和生物产电性能的影响。
研究结果表明，在中等进水C/N比（5、10）条件下，MFC-CWs的污水净化效果相对较好；CO2、CH4和NH3的排放量随着进水C/N比的增加而随之增加，其中C/N比为5处理组的N2O排放量和全球增温潜势（GWP）最低。基于高通量测序结果和q-PCR分析，N2O排放通量的减少归因于nosZ/（nirS+nirK）比值的增加，这意味着系统中N2O将更多地被还原为N2；CH4排放通量受负责编码甲烷单加氧酶的pomA基因和甲基辅酶M还原酶mcrA基因的调控；NH3挥发与特定微生物（如Nitrospirales等）有关，这些微生物可以将NH3转化为NO3-或NO2-等，或与其他细菌协同作用，从而影响NH3的挥发和转化过程（图1）。研究还发现，C/N比为5的系统环境促进了产电菌（如Proteobacteria和Firmicutes等）的生长，因此该进水条件下的MFC-CWs拥有最高的功率密度和电流强度。
本研究阐述了MFC-CWs对水体污染物和多种气体的协同减排机制，为MFC-CWs技术和运行参数优化提供了重要参考，在“双碳”目标需求背景下，有助于推动人工湿地技术向低碳方向发展。相关成果发表在《Chemical Engineering Journal》上，由牛婷婷（第一作者）、祝惠（通讯作者）等共同完成。研究工作得到中科院人工湿地水-气协同调控创新交叉团队项目、国家自然科学基金、“一带一路”国际科学组织联盟和中科院青年创新促进会的支持。
论文信息及链接如下：
Tingting Niu, Hui Zhu*, Brian Shutes, Jing Yu, Chunguang He, Shengnan Hou, Hu Cui, Baixing Yan. Wastewater treatment performance and gaseous emissions in MFC-CWs affected by influent C/N ratios. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141876
图1 进水C/N比对MFC-CWs系统中碳氮气体排放的调控机制
