摘要
湿地是地球重要的碳汇和氮汇系统，其排放的甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)等是全球温室气体(GHGs)的重要来源。将微生物燃料电池嵌入湿地，并探讨生物电化学过程对GHGs排放的影响，对控制湿地GHGs排放具有重要意义。本研究将湿地植物菖蒲种植于系统的阳极部位，构建了一种新型的“根际”阳极湿地型微生物燃料电池(cw-MFC)，结果发现GHGs的排放与系统产电存在密切关系。通过改变CW-MFC系统的构造和运行条件，研究了根际电极活动对系统产电和碳通量／氮通量的影响，并通过高通量测序进一步探索微生物产电过程中产电菌同产甲烷菌、氨氧化菌和反硝化菌等的竞争或共存机制，阐明湿地中微生物产电、碳转化和氮转化之间的关系，分析消减湿地CH4和N2O等GHGs排放的主要途径及其机制，最终通过产电与产气之间的关系及微生物学分析，进一步探讨了C元素与N元素在系统中的归趋途径。具体研究结果如下： (1)阳极材料为碳纤维毡(CAF)，阴极材料为CAF，电极间距为10cm，阴极面积为0.0096m2时，系统的最大功率密度为2.99A/m3，COD和TN去除率为95.99%和62.98%，在此条件下GHGs也达到了较好的控制，CH4的平均排放通量为0.77±0.05mg/(m2?h)，N2O的平均排放体积分数为0.02±0.0006%。 (2)重金属可有效地降低GHGs的排放，有植物系统的CH4和N2O排放量分别约为0.43±0.05mg/(m2?h)和0.006±0.003%(未种植物：0.14±0.02mg/(m2?h)和0.004±0.0003%)，而功率密度却下降至1.92±0.07W/m3（未种植物：1.52±0.06W/m3），这说明GHGs被有效地控制，而系统的输出电压却降低。底物浓度对CH4和N2O的影响截然相反，当底物浓度为200mg/L时，CH4的排放量约为2.18±0.06W/m3，此时N2O的排放量为最大，增加底物浓度的含量至500mg/L时，N2O的体积分数为0.002±0.0005%，而CH4排放通量却增至最大。通过Pearson相关性分析发现，随着库仑效率的增加，N2O的排放呈现正相关关系，而CH4却呈现负相关关系。 (3)通过高通量测序分析可知，大部分底物被微生物供自身所消耗产生电子，且产电菌群落丰富度复杂多样，如不动杆菌、地杆菌及拟杆菌等。而产甲烷菌和硝化细菌的种类较少，为甲烷丝状菌属、甲烷细菌属、甲烷绳菌属、硝化螺旋菌及脱氮单胞菌属等。对系统中的C和N元素的流向分配进行分析，微生物利用底物供自身需求分别占TC和TN的40.28%和78.98%，实验期间植物根系及基质的作用也会吸附一部分底物，使得TC和TN浓度下降，大约为20.1%和19.6%。在系统的归趋中，CO2和CH4较N2O的排放通量较大，分别为24.12%和10.94%，N2O仅占0.5%，其余少量的碳源与氮源最终流出系统外。 本文构建的新型的“根际”阳极湿地型微生物燃料电池具有“去除水体有机污染物、消减GHGs排放和绿色产能”等功能，为控制湿地GHGs排放指明了新的方向和思路。
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