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
2
人工湿地装置示意图
图
3
实验期间人工湿地进出水水质效果（
a
）
NH
4
+
-N；
（
b
）
TN；
（
c
）
PO
4
-
-P；
（
d
）
COD
图
4
稳定期间不同人工湿地的（
a
）温室气体排放通量和（
b
）
GWP
根据填料层的不同，构建三组垂直潜流人工湿地系统，分别为C-CW（石英砂），S-CW（硫）和SS-CW（菱铁矿-硫混合物）。结果表明，SS-CW中硫和菱铁矿的存在，促进了植物根系铁膜的形成，加强了反硝化作用，提高了电子转移活性，游离的F
e
2+
和Fe
3+
也减少了硫对硝化作用的抑制，增强了氨氮和磷的去除。整个运行期间，SS-CW的总氮和磷的去除率比传统人工湿地分别提高了50.0±6.7%和13.9±4.0%。
图
5
实验期间（
a
）
S-CW
和
SS-CW
的进出水硫酸根浓度以及（
b
）
SS-CW
的出水铁浓度
图
6 SS-CW
的（
a
）根部
8000
倍扫描电镜图和（
b
）元素分析结果
通过铁硫自养反硝化副产物的测定，证实SS-CW对硫的利用率更高，且系统中形成多电子体系。根系SEM-EDS分析结果显示丰富的F
e
2+
和适宜的涝渍环境有利于植物根系铁膜的形成，能促进植物对污染物的吸收和根际微生物群落的富集，从而提高SS-CW的污染物去除效率。
图7 与CH
4
和
N
2
O排放相关的基因丰度
图8 不
同VFCW中微生物群落的相对丰度，（a）门级别（前10名）和（b）属级别（前35名）；（c）不同VFCW中甲烷氧化微生物的总相对丰度。（d）甲烷氧化微生物与环境因子的冗余分析（RDA）
通过qPCR测定与
N
2
O和CH
4
排放直接相关的基因丰度，以
nosZ
/（
nirS
+
nir
K）和
pmoA
/
mcrA
评估SS-CW的温室气体减排潜力。结果表明，SS-CW有着最高的温室气体排放潜力。此外，观察到硫磺菌（
Sulfurimicrobium
）和硫单胞菌属（
Thiomonas
）作为硫自养反硝化菌属在SS-CW中富集，占比之和超过20.80%。同时，以
Methylococcus
，
Methylotenera
为首的14种甲烷氧化菌被发现富集在SS-CW中，且SS-CW的甲烷氧化菌的总丰度是传统人工湿地的2.43倍。RDA分析结果也表明关键甲烷氧化菌的富集和SO
4
2-
和F
e
2+
相关。
图
9
按照
KEGG Orthology
数据库，分类出的碳代谢、电子传递系统的关键基因及其编码酶（以
EC
编号标识）（
a
），以及编码碳代谢（糖酵解和
TCA
循环）相关酶和电子传递系统的关键基因的相对丰度（
b
）
图
10
（
a
）菱铁矿
-
硫底物存在下的甲烷代谢途径和（
b
）编码酶的关键基因的相对丰度
宏基因组分析证明，SS-CW中醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）丰度是传统人工湿地的1.40倍，硫-菱铁矿混合填料的存在增强了糖酵解过程中的电子供应。同时，SS-CW中丙酮酸激酶（PK）的相对丰度比传统人工湿地高18.84%，促进ATP产生，并且能够产生更多的丙酮酸进入TCA循环。此外，在SS-CW中，负责电子传递的酶的总相对丰度显著提高，这也说明了铁硫胶膜多电子体系显著增强了SS-CW内的整体能量代谢，促进了能量和电子的产生和转移。还观察到逆向甲烷生成途径相关基因丰度以及与铁还原和CH
4
降解相关的
mtrA
基因和
mer
基因显著上调，直接说明铁硫胶膜多电子体系能同时促进两种甲烷消解的代谢途径。
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。研究结果表明，在人工湿地中构建铁硫胶膜多电子体系可以实现：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。
