硫驱动氮转化机制及其在恶臭河流修复中的应用研究

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Effects of sulfur on nitrogen transformation in malodorous rivers with different remediations

　　本研究针对恶臭河流中总氮(TN)超标问题，通过沉积物培养和河流模拟实验，系统探究了硫(S)对反硝化(denitrification)和厌氧氨氧化(anammox)的影响机制。研究发现40 mg·L-1硫化物可刺激硫驱动自养反硝化(SAD)活性（从0.010提升至0.021 meq·g-1 VSS·h-1），但抑制anammox活性（从0.010降至0.0032 meq·g-1 VSS·h-1）。硝酸钙添加可诱导硫驱动自养部分反硝化(SAPD)与anammox耦合，为恶臭河流修复提供新策略。

　　

城市河流中弥漫的恶臭问题近年来备受关注，尤其随着《城市黑臭水体治理指南》的实施，解决这一问题显得尤为紧迫。恶臭河流中高浓度的总氮(TN)被认为是引发藻类过度繁殖的关键因素，进而加剧水体恶臭。除了氮元素，硫(S)作为另一种重要的生物成因元素，直接参与恶臭形成。随着污水处理厂排放的增加，河流中硫含量持续上升，这使得硫在氮转化过程中的作用亟需深入研究。然而，目前关于硫对反硝化(denitrification)和厌氧氨氧化(anammox)的影响仍存在争议：硫化物究竟是抑制还是促进这些过程？其阈值如何？在不同修复措施下，硫与氮的相互作用机制又是什么？这些问题成为当前研究的热点与难点。

为了解开这些谜团，华东师范大学的查云逸、虞晨曦等研究人员在《Applied Microbiology and Biotechnology》上发表了最新成果。他们通过沉积物培养实验和河流模拟系统，探究了硫化物对反硝化和anammox的直接影响，并分析了在曝气(aeration)和硝酸钙添加(calcium nitrate addition)两种常见修复措施下，硫与氮的耦合机制。研究发现，反硝化对硫化物的耐受性高于anammox，并在底物竞争中占据优势。适量硫化物（40 mg·L^-1）可显著提升硫驱动自养反硝化(SAD)活性，同时抑制anammox活性。此外，硝酸钙添加能够诱导硫驱动自养部分反硝化(SAPD)与anammox的耦合，为恶臭河流中总氮的高效去除提供了新思路。

研究主要采用了沉积物培养实验、河流模拟系统、高通量测序和功能基因定量分析等关键技术方法。沉积物和上覆水样本采集自上海市桃浦镇李店浦，该河道具有典型的水动力条件差、污染负荷高等特征。通过设置不同硫化物浓度梯度（0–160 mg·L^-1）的血清瓶培养实验，评估了硫化物对反硝化和anammox活性的影响；河流模拟系统则模拟了实际修复场景，包括对照组、硝酸钙添加组、上覆水曝气组和沉积物曝气组。微生物群落结构通过16S rRNA基因测序和功能基因（nirS、dsrB、AnAOB）定量进行分析，同时结合化学指标监测和统计学方法（如Spearman相关性分析、网络构建）揭示了硫氮转化的内在联系。

硫化物对反硝化和anammox的影响

通过沉积物培养实验发现，反硝化活性在硫化物浓度为40–64 mg·L^-1时显著提升（从0.010增至0.025 meq·g^-1 VSS·h^-1），但当浓度超过96 mg·L^-1时受到抑制。相反，anammox活性在40 mg·L^-1硫化物下即被抑制（铵去除率从55.25%降至22.32%），表明anammox对硫化物更为敏感。微生物分析显示，硫氧化细菌Thiobacillus在反硝化培养中相对丰度从0.46%升至21.51%，进一步证实了SAD的促进作用。

不同修复措施下硫氮动态

河流模拟实验中，上覆水曝气和沉积物曝气均表现出较高的总氮去除率（分别为82.15%和67.52%），而硝酸钙添加组仅为13.23%。相关性分析表明，总氮与硫酸盐(SO₄^2?)呈显著负相关（P<0.01），说明硫通过SAD参与了氮转化。在硝酸钙添加组中，ΔNO₃^?/ΔSO₄^2?比值约为3.09（介于SAD理论值1.6和SAPD理论值4之间），提示SAPD与anammox耦合的存在。

微生物群落结构响应

所有修复组中均检测到Thiobacillus（0.36%–21.51%）、反硝化功能基因nirS（0.11%–0.14%）和anammox细菌基因（0.36%–0.72%）的较高丰度。硝酸钙添加组中，SAPD相关菌Sulfuritalea（从0.12%升至0.78%）和anammox菌丰度同步增加，证实了硫氮耦合的微生物基础。网络分析显示，anammox细菌与硫酸盐还原菌Desulfococcus存在“协同”关系，而与Thiobacillus呈“竞争”关系。

本研究系统阐明了硫在恶臭河流氮转化中的双重角色：适量硫化物促进SAD，但抑制anammox；硝酸钙添加可通过诱导SAPD与anammox耦合提升脱氮效率。研究不仅填补了硫氮生物地球化学循环在河流修复背景下的认知空白，还为实际应用中通过调控硫循环优化脱氮工艺提供了理论依据。未来，针对不同修复措施下硫形态转化的动态监测及微生物互作机制的深入解析，将进一步提升恶臭河流治理的精准性和有效性。