摘要
人工湿地是一种环境友好的绿色生态污水处理技术，被广泛应用于分散式污水处理中。针对现有人工湿地贫氧环境中氧化还原反应受限，水质净化效果低下的问题，提出了天然黄铁矿介导胞外电子传递强化人工湿地-微生物燃料电池（PyAnoCW-MFC）技术。考察阳极黄铁矿填料对CW-MFC水质净化和电能回收效能。为进一步了解阳极黄铁矿对CW-MFC运行效能的提升作用机理，分别从碳、氮、磷、铁、硫等元素转化过程进行了机理探究。探明了外部电路调控下的有机物转化机制，揭示了黄铁矿阳极填料对系统的阳极扩大化和铁氧化还原循环机理。辨识阳极区域长距离电子传输功能关键微生物；通过宏基因组学分析阐述了微生物电化学过程调控的人工湿地微生物硫代谢途径，剖析碳、氮、硫元素循环交互机制。探究黄铁矿填料影响下的人工湿地植物-微生物体系对氮、磷营养物的去除机理。研究得出的主要结论如下： （1）黄铁矿阳极填料同步提高了CW-MFC的水质净化和电能回收效能。以天然黄铁矿作为阳极填料、石英砂作为阴极填料的系统（PyAno）的COD、NH4+-N、TN、TP去除率（86.7±7.2%、32.5±2.7%、36.7±3.6%、20.1±6.3%）均高于黄铁矿阳/阴极填料系统（PS；59.9±7.4%、25.7±2.1%、30.2±3.4%、46.6±5.8%）和石英砂阳/阴极填料系统（QC；72.6±6.5%、20.1±2.7%、25.0±4.0%、7.0±5.1%）。同时，PyAno组表现出较优的电化学性能（平均电压输出、库伦效率、最大功率密度、分别为416.0±65.4mV、0.42%、22.0mW/m2），从各方面优于QC组；而PS组虽然具有更高的库伦效率（0.46%）和最大功率密度（27.8mW/m2），其内部通路分流和阴极区域对COD好氧降解的竞争性抑制导致总体性能较差。对比其他强化型人工湿地水质净化效果及CW-MFC的性能和建设成本，PyAnoCW-MFC均具有一定优势。 （2）外部电路对CW-MFC的有机物转化过程具有调控作用。接通外部电路能够促进不同CW-MFC体系的COD去除率，在批次周期前12h，接通外部电路提升了系统9.0–13.5%的COD去除率。PyAno组在反应前期的COD去除率低于QC组，而后期逐渐反超。各系统内乙酸盐的消耗与COD的去除趋势接近，并在24h内完全耗尽，随之产生不同溶解性有机物。各系统的CO2通量呈现明显的昼夜规律，而CH4则逐步积累；接通外部电路能够提升CO2通量，降低CH4通量。PyAno的CO2和CH4通量均高于QC组。气体碳代谢产物的积累远低于底物消耗。微生物胞内聚-β-羟丁酸的积累现象，表明接通外部电路会促进系统内微生物对有机物的同化过程，解释了CW-MFC较低的库伦效率的现象。 （3）黄铁矿扩大了CW-MFC阳极影响区域，并营造了铁氧化还原循环。通过MFC小试试验，观察到PyAno组阳极填料给电子能力高于QC组，表明黄铁矿填料能够扩大CW-MFC阳极影响范围，通过灭活对照试验，发现PyAno阳极区域黄铁矿潜在发生了电化学、微生物电化学作用下的氧化反应。通过微生物异化金属还原潜力测试，发现PyAno组具有较高的铁还原潜力，而形成铁氧化还原循环。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，阳极、阴极黄铁矿填料均发生了不同程度的氧化，其中阳极氧化程度较为缓和。阳极黄铁矿富集了电活性微生物Geobacter，说明黄铁矿促进了CW-MFC阳极的微生物电化学过程，解释了PyAnoCW-MFC较优的水质净化和能源回收效能。 （4）黄铁矿阳极填料诱导了微生物长距离电子传输过程的硫循环过程活性及其对碳、氮元素交互。通过体视显微镜、扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜镜检，多角度观察了CW-MFC阳极区域潜在的长距离电子传输功能微生物的丝状形态；其中，荧光特异性寡核苷酸探针标记荧光原位杂交试验直接地证明了该丝状菌为电缆菌Desulfobulbaceae。通过微生物物种组成和差异分析，发现PyAno组阳极区域显著富集了长距离电子传输和胞外电子传递功能微生物Desulfobulbaceae、Geobacteraceae。通过微生物种间关系网络，推测湿地环境中电缆菌可能与碳、氮转化功能微生物存在正向联系。宏基因硫代谢通路分析表明PyAno组阳极区域黄铁矿促进了厌氧条件下的微生物硫转化过程。 （5）黄铁矿提升了植物生长水平，促进了植物-微生物体系对氮、磷污染物的去除。通过植物生物量和氮、磷元素组成发现，相对于QC组，PyAno组促进了植物的生长和对营养物质污染物的吸收。不同系统中的植物在光合作用和根系活性上没有显著差异。然而，PyAno组中的湿地植物具有更高的根系泌氧量，对应阴极位置具有更高的氨氧化功能基因（amoA）丰度。通过对根系铁膜分析，发现PyAno组植物根系位置沉积了大量铁、磷元素共沉淀，解释了PyAno系统更高的TP去除率和较低的出水铁离子含量。 综上，研究提出的PyAnoCW-MFC体系能够实现较为高效的水质净化效果和对污水中所含能源的回收。其中衍生出的外部电路对湿地有机碳调控机理、微生物胞外电子传递作用下的铁循环机理、长距离电子传输作用下的微生物硫循环机制，为了解人工湿地内部微生物元素循环交互提供了理论依据。
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