在全球水污染问题日益严峻的当下，污水处理厂尾水的净化成为环保领域的关键挑战。人工湿地作为一种经济、环保的污水处理技术，备受关注。然而，当污水中碳氮比（C/N）较低时，人工湿地的脱氮效率会大打折扣，导致总氮去除效果不佳，难以满足严格的排放标准，进而对水环境造成污染。近期，一项发表于《Engineering》的研究成果为这一难题带来了新的解决方案。

研究团队通过实验对比了传统人工湿地（对照组）、添加生物炭（BC）的人工湿地以及添加 β- 环糊精功能化生物炭（BC@β-CD）的人工湿地系统，探究其在处理低碳氮比污水时的脱氮效果及作用机制。结果令人惊喜：在低碳氮比条件下，BC@β-CD 展现出了卓越的性能。当碳氮比从 4 降至 2 时，BC@β-CD 组的总氮去除率比对照组分别高出 45.89% 和 42.48% ，同时氧化亚氮的释放量显著降低，降幅分别达到 70.57% 和 85.45%。

那么，BC@β-CD 是如何做到的呢？从微观层面来看，它改变了人工湿地中微生物的代谢方式。研究人员通过宏基因组和酶学分析发现，BC@β-CD 并不会改变微生物群落的多样性，但能协同促进碳代谢。在污水处理过程中，微生物主要通过糖酵解（EMP）途径和三羧酸（TCA）循环来代谢葡萄糖，产生电子供体和能量载体。BC@β-CD 使得参与这些过程的相关基因丰度增加，促进了葡萄糖的代谢，从而为反硝化反应提供了更多的电子和能量。

电子的产生和传递对于反硝化过程至关重要。BC@β-CD 能够提高烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）脱氢酶和电子传递系统（ETS）的活性，促进电子的生成和传递。这样一来，在碳源相对不足的低碳氮比环境下，反硝化反应仍能获得足够的电子，从而顺利进行。而且，BC@β-CD 还能重新分配碳代谢流，让更多的碳代谢产物用于支持反硝化作用，提高了碳源的利用效率。

通过结构方程模型分析，研究人员进一步揭示了 BC@β-CD 增强低碳氮比条件下脱氮效果的核心策略。在不同的碳氮比阶段，BC@β-CD 系统都倾向于将更多的碳代谢分配到反硝化过程中。当碳氮比较高时，碳代谢支持反硝化的比例对脱氮率影响最为显著；而当碳氮比降低时，微生物则更依赖增强 NADH 脱氢酶的活性来促进底物代谢转化为电子，以支持反硝化反应。

这一研究成果具有重要的现实意义。传统人工湿地在处理低碳氮比污水时，大量硝酸盐难以去除，会随出水进入水环境，引发水体富营养化。同时，脱氮过程中产生的氧化亚氮是一种强效温室气体，其排放增加会加剧全球变暖。而 BC@β-CD 的应用，大幅提升了人工湿地对低碳氮比污水的脱氮效率，显著减少了氧化亚氮的排放。虽然目前仍无法完全去除硝酸盐，但为深度处理低碳氮比污水提供了新方向。例如，可以利用植物根系分泌物作为补充碳源，或者发挥自养微生物的反硝化能力，进一步去除水中残留的硝酸盐。

这项研究为解决人工湿地在低碳氮比条件下的脱氮难题提供了有效途径，有望推动污水处理技术的发展，助力实现更高效、更环保的污水处理目标，让我们离清洁水环境的目标更近一步。

来源: Engineering