氧化还原波动与铁的富集共同调控了人工湿地中Fe–N代谢的过程，这一过程具有严格的时间协调性

《Journal of Cleaner Production》：Redox fluctuations and iron enrichment orchestrate a time-coordinated Fe–N metabolism in constructed wetlands

　　铁基潮汐湿地（ITCWs）通过时空分异的铁-氮耦合机制实现高效氮去除，分为Fe(II)氧化驱动氨氮去除（Phase I）、Fe(III)还原协同化学需氧量降解（Phase II）和红氧化还原条件调控反硝化（Phase III），微生物群落演替与功能基因（nirK/sitA/nirS/norB）动态响应支撑该机制。

　　
铁基潮汐湿地中氮素去除的时空耦合机制研究

铁基潮汐湿地（ITCWs）作为新兴的氮素处理技术，其核心优势在于铁氧化物与微生物协同作用形成的动态氧化还原环境。该研究通过建立半潮汐与连续流双模式实验体系，系统揭示了铁-氮耦合转化的时空分异规律。实验设置包含18组对照湿地，其中6组采用半潮汐流模式（HRT=5天，HLR=6.0 cm/d），3组为连续流模式，通过梯度铁负荷（H2:1、H1:2、A2:1）构建不同红ox条件的对比组。

研究团队观察到显著的三阶段动态特征：初期（0-30天）铁氧化驱动NH4+快速去除（35%-70%），此时电化学传递菌（ETB）丰度提升40%，同时nirK基因表达量激增3.4倍，显示微生物通过硝酸盐还原途径完成电子传递。中期（30-90天）化学需氧量（COD）去除效率稳定在85%±3%，siderophore相关基因sitA表达量提升2.5倍，表明铁载体辅助的Fe(III)活化机制维持了系统电子流。后期（>90天）氧化还原电位（ORP）跌破-50mV临界值，总氮（TN）去除率达71.5%±6.5%，nirS/norB基因组合丰度提升4.1倍，Paracoccus优势菌群的出现印证了末端反硝化作用主导。

研究创新性地引入铁氧化还原电位（FeORP）动态监测，发现高铁负荷组（H2:1）的Fe(II)/Fe(III)比值较对照组提升1.8-1.6倍，这促使系统形成"Fe(III)氧化-Fe(II)还原"的循环机制。通过16S rRNA测序和功能基因分析，揭示了铁载体产生菌（如Aquicella、Thiobacillus）在Fe(III)活化中的关键作用，其代谢产物使铁氧化物表面吸附态Fe(III)溶解度提升2.3倍。值得注意的是，半潮汐流模式通过周期性水位变化（每日±10cm波动）模拟自然潮汐节律，成功维持ORP在-50mV至200mV区间波动，这种动态调控使铁基湿地的微生物活性周期延长30%。

在铁-氮耦合机制解析方面，研究构建了包含8个核心环境参数（pH、DO、ORP、COD、TN、NH4+、NO3-、Fe浓度）和5类功能菌群的结构方程模型（SEM）。模型显示Fe(III)还原速率与nirK基因表达呈显著正相关（R2=0.87），而siderophore合成量与Fe(III)溶解度提升曲线高度吻合（相关系数0.79）。特别发现当Fe(II)浓度超过200mg/L时，硝酸盐反硝化速率提升2.8倍，这为优化铁基湿地运行参数提供了理论依据。

实验数据表明，半潮汐流模式相比连续流模式，总氮去除效率提升19.7%（71.5% vs 51.8%），这主要归因于周期性红ox波动激活了Feammox途径（NH4+氧化率提升至0.82kg/(m3·d)），同时通过铁氧化物表面吸附-释放机制，使Fe(II)有效浓度维持在100-150mg/L的最佳区间。微生物群落分析显示，半潮汐组中铁氧化菌（如Gallionella）丰度较对照组提升2.1倍，而反硝化菌（如Paracoccus）在后期阶段占比达38.7%，形成独特的时空分布格局。

研究还建立了铁负荷-微生物活性-污染物去除的耦合模型，发现当单位面积铁氧化物负载量超过150g/m2时，系统会出现"铁阻隔"现象，导致COD去除效率下降12%-18%。通过控制铁添加速率（0.5-2.0g/(m2·d)），研究团队成功将系统稳定运行周期延长至180天以上，这为实际工程应用提供了重要参考。

该成果对铁基湿地技术的优化具有双重指导意义：一方面证实周期性红ox波动（每日波动幅度>50mV）可有效维持微生物活性，建议设计潮汐比在1:3至1:5之间；另一方面发现铁载体产生菌（如Aquicella）的丰度与系统脱氮效率呈显著正相关（r=0.83），这为后续开发靶向菌群调控技术提供了新方向。研究团队通过整合宏基因组测序、原位电子探针（IPE）和同位素示踪（15N-N?O-17N），首次实现了铁-氮耦合转化的多维度解析，相关成果已申请国家发明专利（专利号：ZL2025XXXXXX.X）。

该研究突破了传统湿地工程中"铁源耗竭-微生物失活"的恶性循环，通过建立铁氧化物再生机制（Fe(III)还原再生率达82.3%），使系统在连续运行120天后仍保持89.2%的NH4+去除效率。这为高浓度有机废水处理提供了新范式，特别是对电镀废水、养殖废水等含Fe2?/Fe3?的体系具有普适性。研究团队正进一步探索铁基湿地在碳中和背景下的碳氮协同去除潜力，相关预实验显示单位系统碳封存能力可达0.45tCO2-eq/年。

该成果已形成系列标准草案，包括《铁基潮汐湿地建设技术导则》（DB23/T XXXX-2025）和《半周期流态控制参数规范》，被纳入2025年度中国生态环境部重点推广技术清单。研究团队正在建立多尺度（分子-群落-系统）铁-氮耦合调控模型，计划在2026年前完成示范工程，目标实现98%以上的TN去除率，同时回收90%以上的铁氧化物资源。这些进展标志着铁基湿地技术从实验室研究向工程化应用迈出了关键一步。