近日，我校水利与环境学院张馨文副教授课题组在环境领域顶级期刊《Water Research》上发表了题为“A new insight on simultaneous water purification and greenhouse gas reduction by constructing sulfur-siderite driven autotrophic denitrification pathways in constructed wetlands”的研究论文，主要研究在人工湿地中构建铁硫胶膜多电子体系以实现水质和温室气体的双减排。该论文第一作者为环境工程2022级硕士研究生冯成业，通讯作者为其导师张馨文副教授。

人工湿地由于绿色生态和经济可行的优势而被广泛应用。然而，在处理低碳氮比废水时，传统人工湿地的脱氮效率往往受限于碳源缺乏，且其运行过程中会不可避免地产生温室气体，增加了碳足迹，限制了其应用场景。硫-菱铁矿自养反硝化（SSAD）工艺使得生物脱氮过程摆脱对碳源的依赖，是一种极具潜力的新型脱氮技术。本研究通过在人工湿地中构建铁硫胶膜多电子体系，旨在强化人工湿地水质净化效果的同时控制温室气体排放，为提升人工湿地的整体环境效益提供新思路。

图1 铁硫胶膜多电子体系人工湿地的构建、双减排效果及作用机制

以硫-菱铁矿混合填料作为基质的湿地（SS-CW）在长达220天的运行过程中表现出最佳的脱氮除磷性能，总氮和磷酸盐的平均去除率分别为91.6%和96.3%，各项出水指标均符合国家城市污水排放一级A标准。相较于传统人工湿地，SS-CW的甲烷和氧化亚氮排放减少了76.7%和93.4%，有效减少了湿地碳足迹。通过对微生物活性、功能基因、微生物群群落结构以及微生物代谢途径的分析，揭示了SS-CW优秀净化性能的机制。研究结果表明，在人工湿地中构建SSAD途径可以实现：1）微生物活性的增强：显著提高电子传递活性，强化硝化和反硝化过程，优化系统脱氮效果，提高系统电子利用效率；2）关键基因丰度的增加：温室气体减排和污染物去除相关基因的丰度在SS-CW中显著提高；3）微生物群落结构的优化：更多的硫自养反硝化菌和甲烷氧化菌在SS-CW中富集，形成了协同作用更强的功能性微生物群落；4）代谢能力的提升：甲烷消解途径显著提升，碳代谢过程增强，电子的产生和传递活性全面提升。优化了碳、硫、氮和铁的耦合循环，为水质净化和温室气体减排提供了充足的能量支持。

图2 铁硫胶膜多电子体系中典型温室气体减排机理图

本研究证实了在人工湿地中构建铁硫胶膜多电子体系能实现高效的水质净化和温室气体减排，并深入探究了其作用机制，为低碳氮比废水的高效脱氮处理提供了新的技术途径。该研究成果对推动人工湿地技术的发展和应用，实现水污染控制和温室气体减排的双重目标具有重要的理论指导意义和实践价值。上述研究受国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目及山东省优秀青年创新团队计划的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135425000442

撰稿：张馨文      编辑：刘孟頔      编审：张伟