人工湿地以其处理效果稳定、投资低、管理方便和美化环境的特点在水污染治理和修复中得到了广泛应用。然而传统潜流人工湿地中的脱氮效果受低溶解氧(DO)浓度限制,而且其中的生物脱氮过程也成为温室气体氧化亚氮(N2O)的一项重要排放源,会引起环境负效应。生物炭具有很大的比表面积和多孔结构,持水性、吸附性均较强,常被用作土壤改良剂,对土壤氮素物质循环起到一定作用。结合人工湿地与生物炭的这些特点,本文通过将湿地收割植物炭化,加入人工湿地,构建生物炭微型人工湿地系统。研究生物炭投加对N2O减排效果;采用15N同位素示踪的方法研究生物炭对N2O排放途径的影响;运用实时荧光定量pcr(Qpcr)等分子生物学技术,从微生物学角度探索生物炭对湿地中N2O排放的影响机理,为强化湿地N2O减排提供理论依据及数据支持。本文共设置了 4组进水COD:N=7的不同生物炭添加比例(40%、20%、10%、0%)的微型人工湿地系统(分别命名为CW40、CW20、CW10及CK),研究分析生物炭投加对湿地的N2O排放通量、N2O排放途径和微生物群落及与N20排放有关的基因表达水平的影响,结果表明:(1)所有湿地的DO出水均低于0.3mg/L,生物炭的投加能明显提高出水DO(p<0.05)。湿地出水pH明显低于进水时的pH,且生物炭的添加能够使湿地系统出水pH显著增高(p<0.05)。在不同处理条件下,COD的去除率都达到了 80%以上,生物炭的添加对湿地系统中COD的去除具有显著效果。生物炭投加能显著提高NH4+-N去除效果,但对NO3--N去除没有显著影响。(2)生物炭的投加对人工湿地中N2O减排控制作用明显。所有人工湿地中N2O平均释放通量在0.67±0.25～2.13±0.05mg·(m2·h)-1之间,单位面积累积排放通量在9.92±1.45 mg·m2～59.81±6.45mg.m2之间。与传统人工湿地相比,CW40、CW20和CW10分别实现N2O减排83.41%、65.91%和和和 25.85%。CW40中以N2O形态去除的氮占去除TN的比例最大为0.17%,显著低于传统人工湿地中所占的比例(p<0.05)。(3)生物炭的添加能够显著改变湿地中微生物群落分布情况。高通量测序结果显示湿地中主要与N2O排放相关的硝化菌属为Nitrospira、Nitrosomonas,反硝化菌属为Methyloversatilis、Dechloromonas、Denitratisoma和zooglea。不同生物炭的投加比例使它们的丰度均存在显著差异。(4)生物炭能显著提高人工湿地中氨单加氧酶(AMO)和氧化亚氮还原酶(Nos)的活性(p<0.05)。CW40-CW10的AMO活性相比CK分别提高了 209倍、2.51倍和3.02倍,增幅逐渐增大。CW40中的Nos活性最大为18.09U/L,较CK提高了 1.54倍。更高的生物炭含量对Nos活性影响更显著。投加生物炭同样可以提高湿地系统中羟胺氧化还原酶(HAO)和亚硝酸还原酶(Nir)的活性,但是生物炭添加量对两者无显著影响。对这四种关键酶功能基因进行Qpcr扩增检测可知:随着生物炭比例的增加,amoA基因丰度增加,但增加不显著,CW40、CW20和CW10湿地的nosZ基因拷贝数较CK湿地提高108.31%、58.08%和36.57%。(5)通过15N同位素示踪量化硝化反应与反硝化反应对N2O排放贡献的研究表明生物炭的投加会影响硝化作用(NF)、硝化同步反硝化(SND)与反硝化作用(DF)各自释放的15N-N2O占总15N-N2O排放的比例。当添加生物炭时,反应初期(1h),硝化反应是N2O的主要来源。其中CW40湿地中硝化作用对N2O排放的贡献(54.15%)大于CK系统(51.19%)。反应后期所有人工湿地中N2O排放主要来源于反硝化作用,对15N-N2O的贡献率在CW40最高为75.2%,在CK时最高为93.65%。传统人工湿地中来自反硝化反应的最高N2O浓度(1168.30ppm)显著高于CW40人工湿地系统(225.93ppm)。