人工湿地磷化氢产生的微生物机制及其在湿地磷循环中的作用研究

Constructed wetland (CW) is one of the most effective technologies for removing phosphorus-containing pollutants from wastewater, and to date, researches on migration and transformation of phosphorus in CW are mainly focused on inorganic and organic phosphates, in which phosphorus is at +5 valence state. However, recent studies have revealed that phosphorus compound at low oxidation state, such as phosphine (PH3), might play non-negligible role in phosphorus cycle of CW. Thus, the proposed project intends to systematically study the production, distribution, migration and transformation of PH3 in subsurface flow constructed wetlands, to reveal the production and release regulation of PH3 in CW. The microbial mechanism and metabolic pathway of PH3 production in CW will be explored from the perspective of micro-environment, and the role of PH3 in biogeochemical cycles of phosphorus in CW will be quantified by establishment of PH3 production and release model. Finally, enhanced PH3 release from CW will be achieved by optimizing its design parameters, environmental factors and operating conditions, which may provide new philosophy and idea for efficient and stable removal of phosphorus-containing pollutants in CW. The successful implementation of the proposed project would enrich the phosphorus biogeochemical cycle theory of CW, and furthermore, it would improve the phosphorus removal technology system of CW, which has certain theoretical and practical values for realizing the sustainable operation of CW.

人工湿地是削减污水中磷污染物的有效工艺之一，当前人工湿地磷迁移转化的研究主要集中于以+5价磷酸根形式存在的无机磷和有机磷，但近年来的研究发现处于低氧化态的磷化氢（PH3）在湿地磷循环中的作用不容忽视。本项目拟以潜流人工湿地为研究对象，深入系统地研究PH3在人工湿地中的形成、分布和迁移转化过程，掌握人工湿地PH3的产生与释放规律；从湿地基质内部微环境的角度出发，探索人工湿地PH3产生的微生物作用机制和代谢途径；通过构建人工湿地PH3产生与释放模型，量化PH3在湿地磷的生物地球化学循环中的作用；并从强化PH3释放的角度，优化人工湿地的设计参数、环境因素和运行条件，为人工湿地高效稳定去除含磷污染物提供新的理念和思路。项目的开展，不仅可丰富人工湿地磷的生物地球化学循环理论，还能进一步完善人工湿地除磷技术体系，对于实现人工湿地可持续运行具有一定的理论意义和实际价值。

人工湿地由于其独特的优势，成为削减污水处理厂出水中磷污染物的有效工艺之一。然而，长期以来湿地除磷的研究主要集中于以+5价磷酸根形式存在的无机磷和有机磷，对于低氧化态的磷化氢（PH3）在湿地磷循环中的作用关注较少。本项目以潜流人工湿地为研究对象，系统分析了PH3在人工湿地中的形成、分布和迁移转化过程，并通过物料衡算量化了PH3在湿地磷的生物地球化学循环中的作用；探索了人工湿地PH3产生的微生物作用机制和代谢途径，基于湿地基质内部微环境优化强化了PH3的产生与释放，为人工湿地高效稳定去除含磷污染物提供了新的理念和思路。主要结论如下：①构建了二级冷阱富集和气相色谱联用的痕量PH3富集检测系统，并基于野外调研发现了湿地基质中PH3呈现中间层高、表层和底层低的趋势，PH3能够促进人工湿地中磷的循环转化并有效提升基质的磷吸附容量；②发现电子供体、含硫底物以及氧化还原电位等对PH3的产生具有显著影响，明确了硫酸盐还原菌是PH3产生相关的重要功能微生物，以及NADH是磷酸盐还原生成PH3所需能量的主要来源；③研发了含硫基质添加以及电化学强化等多种手段促进人工湿地中PH3的产生和释放，实现了人工湿地的高效除磷。相关研究成果不仅丰富了人工湿地磷的生物地球化学循环理论，还进一步完善了人工湿地除磷技术体系，对于实现人工湿地可持续运行具有一定的理论意义和实用价值。在该项目的资助下，项目负责人以第一/通讯作者发表SCI收录论文18篇，EI收录论文2篇，授权国家发明专利4件，培养博士研究生3人，硕士研究生6人，入选国家级青年人才支持计划，并获得获教育部高等学校科技进步一等奖1项（排名第3位）。