在全球水污染問題日益嚴峻的當下，污水處理廠尾水的凈化成為環保領域的關鍵挑戰。人工濕地作為一種經濟、環保的污水處理技術，備受關注。然而，當污水中碳氮比（C/N）較低時，人工濕地的脫氮效率會大打折扣，導致總氮去除效果不佳，難以滿足嚴格的排放標準，進而對水環境造成污染。近期，一項發表于《Engineering》的研究成果為這一難題帶來了新的解決方案。

研究團隊通過實驗對比了傳統人工濕地（對照組）、添加生物炭（BC）的人工濕地以及添加 β- 環糊精功能化生物炭（BC@β-CD）的人工濕地系統，探究其在處理低碳氮比污水時的脫氮效果及作用機制。結果令人驚喜：在低碳氮比條件下，BC@β-CD 展現出了卓越的性能。當碳氮比從 4 降至 2 時，BC@β-CD 組的總氮去除率比對照組分別高出 45.89% 和 42.48% ，同時氧化亞氮的釋放量顯著降低，降幅分別達到 70.57% 和 85.45%。

那么，BC@β-CD 是如何做到的呢？從微觀層面來看，它改變了人工濕地中微生物的代謝方式。研究人員通過宏基因組和酶學分析發現，BC@β-CD 并不會改變微生物群落的多樣性，但能協同促進碳代謝。在污水處理過程中，微生物主要通過糖酵解（EMP）途徑和三羧酸（TCA）循環來代謝葡萄糖，產生電子供體和能量載體。BC@β-CD 使得參與這些過程的相關基因豐度增加，促進了葡萄糖的代謝，從而為反硝化反應提供了更多的電子和能量。

電子的產生和傳遞對于反硝化過程至關重要。BC@β-CD 能夠提高煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）脫氫酶和電子傳遞系統（ETS）的活性，促進電子的生成和傳遞。這樣一來，在碳源相對不足的低碳氮比環境下，反硝化反應仍能獲得足夠的電子，從而順利進行。而且，BC@β-CD 還能重新分配碳代謝流，讓更多的碳代謝產物用于支持反硝化作用，提高了碳源的利用效率。

通過結構方程模型分析，研究人員進一步揭示了 BC@β-CD 增強低碳氮比條件下脫氮效果的核心策略。在不同的碳氮比階段，BC@β-CD 系統都傾向于將更多的碳代謝分配到反硝化過程中。當碳氮比較高時，碳代謝支持反硝化的比例對脫氮率影響最為顯著；而當碳氮比降低時，微生物則更依賴增強 NADH 脫氫酶的活性來促進底物代謝轉化為電子，以支持反硝化反應。

這一研究成果具有重要的現實意義。傳統人工濕地在處理低碳氮比污水時，大量硝酸鹽難以去除，會隨出水進入水環境，引發水體富營養化。同時，脫氮過程中產生的氧化亞氮是一種強效溫室氣體，其排放增加會加劇全球變暖。而 BC@β-CD 的應用，大幅提升了人工濕地對低碳氮比污水的脫氮效率，顯著減少了氧化亞氮的排放。雖然目前仍無法完全去除硝酸鹽，但為深度處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為補充碳源，或者發揮自養微生物的反硝化能力，進一步去除水中殘留的硝酸鹽。

這項研究為解決人工濕地在低碳氮比條件下的脫氮難題提供了有效途徑，有望推動污水處理技術的發展，助力實現更高效、更環保的污水處理目標，讓我們離清潔水環境的目標更近一步。

來源: Engineering