氧化还原介质通过促进电子转移和协同代谢作用，在盐度胁迫下改善了硫化物自养反硝化过程

《Environmental Research》：Redox mediator improves sulfide-autotrophic denitrification under salinity stress via promoting electron transfer and synergistic metabolism

高盐条件下硫自养反硝化过程添加电子传递介体显著提升脱氮效率及微生物活性，通过增强电子传递系统、上调硝态氮还原基因（nar/nir）及促进耐盐菌（如Thiobacillus）增殖实现，为高盐废水处理提供新策略。

　　
硫自养反硝化技术（SADN）在盐度敏感型废水处理中的应用研究进展

近年来，随着沿海工业化和海水养殖业的快速发展，高盐废水处理需求显著增加。传统生物脱氮技术在高盐条件下易出现微生物活性抑制、电子传递受阻等问题，而硫自养反硝化技术因其耐盐特性受到广泛关注。该技术通过硫氧化菌将硝酸盐还原为氮气，同时利用硫酸盐作为电子供体，在盐度高达2%-5%的废水中仍能保持较高处理效率。但实际应用中，当盐度超过2.0%时，处理效率会明显下降，这主要与盐胁迫导致的电子传递链断裂、硫氧化菌活性抑制以及细胞渗透压失衡有关。

当前提升SADN技术效能的主要研究方向包括外源碳源补充、耐盐菌剂投加以及电化学耦合技术。其中，还原氧化剂（Redox Mediators）作为新型外源添加剂，因其独特的电子转移增强机制，在改善高盐废水处理方面展现出显著优势。本研究团队通过系统性的对比实验，揭示了不同还原氧化剂对盐度2.0%废水处理效能的影响机制，为工业应用提供了理论支撑。

实验采用五组150mL规模反应器系统，分别投加四种典型还原氧化剂（安替比林-2-磺酸盐、磷钼酸、萘醌-4-磺酸盐、生物炭）与对照组。通过持续运行发现，添加还原氧化剂的处理组均表现出优于对照组的硝酸盐去除效率，其中生物炭处理组达到61.4%±2.4%的去除率，较空白组提升2.4-2.76倍。值得注意的是，这种增强效应在盐度临界值（2.0%）时最为显著，超过此浓度后处理效率提升幅度逐渐减小，这可能与渗透压调控阈值有关。

在微观机制层面，研究揭示了还原氧化剂对电子传递系统的双重促进作用。首先，通过稳定硫氧化菌的细胞膜结构，使电子传递效率提升1.5倍（从0.04±0.02提升至0.08-0.12μg O?/min·mg蛋白）。其次，还原氧化剂通过改变胞外聚合物（EPS）的电子传导特性，形成高效的电子传递网络。特别是生物炭的处理组，其EPS中的导电蛋白含量增加达3.8倍，这可能与生物炭表面丰富的孔隙结构有关，有效增强了电子转移的接触面积。

微生物群落分析发现，添加还原氧化剂显著改变了硫氧化菌的组成结构。耐盐硫氧化菌如硫杆菌（Thiobacillus）的相对丰度在生物炭处理组中提升至对照组的1.82倍，而硫单胞菌（Sulfurimonas）的丰度更是达到3.82倍。这种菌相重构导致协同代谢能力增强，具体表现为：硝酸盐还原关键基因（narG和nir）的mRNA表达量上调2-3倍，硫氧化相关基因（如sodA、apsC）的转录活性提高40%-60%。特别值得关注的是，硫杆菌与假单胞菌形成的共生关系在生物炭处理组中显著增强，这种跨菌种的代谢耦合可能成为突破盐度限制的关键。

在长期运行（120天）测试中，添加还原氧化剂的处理组均表现出持续稳定的处理性能。其中生物炭处理组的硝酸盐去除效率维持在81.9%±9.5%，较初始阶段提升37%。这种长效稳定性主要归因于三个方面：其一，还原氧化剂通过持续补充电子载体，维持了硫氧化菌的活性状态；其二，形成的EPS导电网络有效缓冲了盐胁迫带来的物理损伤；其三，耐盐菌种的动态平衡建立了稳定的代谢通路。

对比实验进一步揭示了不同还原氧化剂的作用特性：磷钼酸（PMo12）通过降低体系氧化还原电位（ΔEh下降0.5V），形成更适宜的电子转移环境；萘醌磺酸盐（NQS）则通过增强硫氧化菌的呼吸速率（qO?提升2.3倍），促进电子从硫酸盐向硝酸盐的定向传递；而生物炭表现出独特的长效性，其表面官能团与微生物EPS形成复合导电层，使电子传递效率在持续运行中仍保持稳定。

该研究在多个层面拓展了SADN技术的应用边界：在工艺层面，建立了盐度2.0%废水的处理基准值；在机制层面，揭示了还原氧化剂通过电子传递强化和菌相协同作用提升处理效能的完整路径；在工程应用层面，首次系统比较了四种典型还原氧化剂的综合效果，为工程选型提供了依据。特别值得注意的是，研究团队发现生物炭与硫杆菌形成的生物膜具有自我修复功能，当盐度波动超过±0.3%时，生物膜中的离子通道蛋白（IPTP）可快速启动渗透调节机制，使细胞质内渗透压稳定在200-250mOsm/kg范围，这为处理盐度波动较大的工业废水提供了新思路。

在工程放大方面，研究建议采用梯度投加策略：在盐度2.0%-3.0%阶段优先投加高电子转移效率的PMo12，当盐度超过3.0%时，配合生物炭使用可形成复合导电层，有效维持电子传递通量。同时需注意，过量投加还原氧化剂（>0.5g/L）会引发pH剧烈波动（ΔpH>0.8），建议配合pH缓冲剂（如碳酸钠）进行联用。

该研究成果已获得多项国家基金支持（编号：22476132、42473003等），相关技术正在与石化企业合作进行中试。实验数据表明，在处理含3.5%盐度、硝酸盐浓度45mg/L的石化废水时，生物炭联合PMo12的复合处理系统可使去除效率提升至89.7%±4.2%，吨水处理成本降低至1.2元，较传统工艺下降40%。这标志着SADN技术从实验室研究向工业应用迈出了重要一步。

后续研究建议重点关注以下方向：1）不同盐度梯度下还原氧化剂的最佳配比；2）长周期运行中微生物群落的动态演变规律；3）极端盐度（>5%）条件下的技术突破。同时需注意环境风险，如磷钼酸可能存在的生物毒性问题，建议后续研究采用环境友好型替代品进行验证。

总体而言，该研究系统论证了还原氧化剂在提升高盐废水处理效能中的关键作用，不仅为SADN技术的优化提供了理论依据，更为开发新一代耐盐反硝化工艺奠定了实践基础。其研究成果对解决沿海地区工业废水处理难题具有重要参考价值，特别是在石化、盐业等高盐度废水产生领域具有广阔应用前景。