综述：硫代谢与生物脱氮耦合在可持续废水处理中的应用：微生物协同作用视角

这篇综述系统阐述了硫介导耦合脱氮工艺在废水处理中的微生物协同机制与技术优势，重点分析了硫自养反硝化(SADN)、硫氨氧化(sulfammox)等工艺的低碳特性（减少有机碳依赖）及工程应用挑战，为构建氮-硫共代谢（涉及>200个硫代谢基因）的微生物调控策略提供了理论支撑。

　　

微生物关联的氮硫循环

自然界中氮硫循环通过微生物网络紧密耦合。氮转化微生物（如变形菌门Proteobacteria）可驱动氮化合物在8种价态（-3至+5）间的14种氧化还原反应，而硫代谢微生物（如硫氧化菌Thiobacillus）则利用硫的6种价态（-2至+6）构建复杂代谢网络。这种电子传递的灵活性使硫化合物既能作为电子供体（如SADN中硫氧化耦合硝酸盐还原），又能作为电子受体（如sulfammox中硫酸盐还原耦合氨氧化）。

技术优势：高效与稳健性

氮硫耦合系统展现出三大核心优势：

1. 1.

   高效脱氮：SADN与厌氧氨氧化(anammox)耦合工艺(SDA)的脱氮速率可达1.5 kg N/m³/d，较传统工艺碳耗降低60%；

2. 2.

   自解毒能力：硫还原过程可消除亚硝酸盐积累对功能菌（如Candidatus Brocadia）的抑制；

3. 3.

   抗干扰性：微生物互养（如硫氧化菌与脱硫弧菌Desulfovibrio的代谢接力）增强系统稳定性。

代表性工艺与应用瓶颈

SDA/sulfammox联用技术在处理含硫工业废水时总氮去除率>90%，但存在硫转化中间产物（如硫代硫酸盐）积累导致的微生物抑制问题。实验室规模研究表明，DNRA（异化硝酸盐还原至铵）耦合anammox可同步实现铵回收与温室气体减排，但规模化应用仍受限于功能菌富集难度（如Geobacter的扩增需精确控制氧化还原电位）。

未来方向：从机制到调控

突破点包括：

• •

  微生物共存设计：通过群体感应信号分子（如AHLs）调控硫氧化菌与anammox菌的空间分布；

• •

  代谢偶联解析：结合多组学技术揭示硫代硫酸盐歧化酶（phsABC基因簇）的功能；

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  智能控制：利用机器学习预测硫投加量与脱氮效能的非线性关系。

结论

氮硫耦合工艺通过微生物"电子穿梭"实现了废水处理的低碳化与资源化，其核心在于定向调控硫代谢基因（如soxB）与氮循环菌群的跨界协作。未来研究需聚焦于解决硫中间产物毒性这一"阿喀琉斯之踵"，以推动该技术从实验室走向实际工程应用。