随着全球城市化进程的不断加速，城市不透水地表（如道路、停车场、建筑等）面积也随之激增，成为聚集人类生产生活污染物的环境。降雨冲刷这些不透水地表后，汇集形成污染物浓度高、成分复杂的地表径流，是城市水体（如河流、湖泊、近海等）污染的重要来源。因此，城市地表径流污染的控制和治理受到了越来越多的关注。

生物滞留系统（bioretention system）是新一代城市地表径流和污染的控制措施（图1），利用土壤与植物处理不透水地表产生的径流。生物滞留系统通过过滤、沉降、生物吸收和转化等过程可以有效去除城市雨水径流中多种污染物（如重金属、有机污染物、悬浮颗粒等）；但是，其对雨水径流中的无机氮污染（尤其是NO₃^-）的去除效率却不理想且不稳定。

图 1. 路边的生物滞留系统

从机理上看，生物滞留系统去除无机氮的功能很大程度上取决于其中各类微生物的氮转化过程。然而，微生物转化氮的过程非常复杂，且转化途径和产物容易受多种环境因子影响而难以预测。因此，迄今人们对生物滞留系统设计如何影响微生物氮转化过程知之甚少。这种机理上的不确定性使得优化生物滞留系统设计来提高氮污染处理效率时存在很大的盲目性。

因此，本研究建立了一系列不同设计配置的生物滞留柱（图2），模拟不同的水文、水质条件（降雨强度与频率、无机氮负荷），通过详细分析生物滞留柱中微生物组成、丰度及潜在功能的差异，系统分析生物滞留过滤基质、植物、饱和储水区域及有机碳源添加等这些设计配置影响无机氮（NH₄⁺和NO₃^-）去除过程的微生物机理。

图 2.室内构建的生物滞留柱系统，分别考虑柱体过滤介质（S、SL、LS）、植被（LSnoP）、饱和储水区域及其中有机质添加（LS/SZ、LS/SZ&C）对雨水径流中无机氮去除的影响及干热作用（200°C：d-f；300°C：g-i）后形貌对比。

研究结果表明，无论生物滞留系统的设计配置或水文条件如何，NH₄⁺都可以在富氧的过滤介质中被有氧氨氧化和亚硝酸氧化细菌有效氧化成为NO₃^-（图3a和b）。然而，在不同生物滞留柱中，NO₃^-去除效率和微生物转化途径差异非常明显。其中，种植植物可以有效促进NO₃^-在有氧过滤介质中的去除，这主要是由植物通过根系同化吸收、根际分泌有机物等增强微生物反硝化作用而实现的（图3b）。饱和储水区可以进一步保障高效去除NO₃^-，但饱和储水区有机碳源添加会显著改变NO₃^-还原的途径：在寡营养的饱和储水区，以有机质为底物的传统异养反硝化菌很少，而一些未知功能的微生物含量丰富，说明其中NO3-的去除可能是通过一些未知的寡营养型反硝化途径（不排除植物根系吸收的贡献，图3c）；而在添加有机物的饱和储水区，有机质降解（甚至发生微生物产甲烷作用）使得氧化还原电位显著降低，抑制了传统异养反硝化微生物作用的发生（需要较高的氧化还原电位），却促使水中硫酸盐被微生物被还原形成还原态硫（如HS^-，即硫酸盐还原作用），进而使得NO₃^-通过与还原态硫的氧化相耦合，发生以自养反硝化为主的NO₃^-还原过程（图3d）。因此，与传统认识的异养反硝化不同，本研究发现生物滞留系统中NO₃微生物-还原途径的多样性，以及考虑N生物转化途径多样性对无机氮有效去除的必要性，并为无机氮去除的生物滞留系统设计优化提供了一定的新思路。

图3.生物滞留柱系统关键设计因素对无机氮去除效率和生物转化途径的影响，a）不种植植物的过滤介质中高效的NH₄⁺氧化和极低的NO3-还原；b）植物根系吸收无机氮，并促进NO₃^-还原；c）寡营养饱和储水区NO₃^-还原；d）添加有机质的饱和储水区微生物有机质降解产甲烷、硫酸盐还原及自养反硝化过程耦合。

上述研究得到了国家自然科学基金（No. 41977155, 42172340, 91751206, 41521001）、“111”引智计划（B18049）等资助。