硫循环微生物协同调控下镉污染水体的生物稳定化机制研究

本研究针对水体镉污染治理难题，创新性地揭示了硫酸盐还原菌(SRB)与硫氧化菌(SOB)通过双向硫循环协同稳定Cd2+的机制。研究发现Enterobacter quasihormaechei在40 mg/L Cd2+条件下7天可实现75%的CdS固定率，而Pseudomonas protegens仅使18%生物源CdS再溶解。二者通过SO42?与S2?的循环转化形成自维持系统，为重金属污染治理提供了新思路。

　　

镉作为典型的重金属污染物，其在水体中的迁移转化始终是环境治理的难点。传统化学沉淀法虽能短期见效，但存在二次污染风险，而单纯依赖硫酸盐还原菌(SRB)的生物修复又面临电子供体持续供应难题。更棘手的是，SRB代谢产生的硫化物可能被硫氧化菌(SOB)重新氧化，导致固定化的镉再度释放。这种"修复-反弹"的怪圈，使得开发可持续的重金属稳定化技术成为当务之急。

中国国家自然科学基金区域创新发展联合基金(U21A2016)支持的研究团队另辟蹊径，将目光投向自然界中本互为"天敌"的SRB与SOB。研究人员从四川绵阳污水处理厂的污泥中分离获得Enterobacter quasihormaechei（SRB）和Pseudomonas protegens（SOB），通过创新性地构建二者协同作用体系，在《Science of The Total Environment》发表了突破性成果。

研究主要采用16S rRNA基因测序进行菌种鉴定，结合X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电镜/能谱(SEM/EDS)分析CdS形成特征。通过监测氧化还原电位(Eh)和硫价态转变，定量分析SO₄^2?/S^2?的转化效率。设置40 mg/L Cd²⁺和66.67 mg/L生物源CdS的暴露实验，分别评估SRB的固定化能力和SOB的溶解效应。

菌株生长特性分析
E. quasihormaechei在18小时进入对数期，36小时达最大生长速率，在pH 7.0-7.5时展现最佳还原活性。Cd²⁺暴露会延迟其生长但刺激还原酶分泌。P. protegens则表现出更强的Cd耐受性，其氧化活性与溶解氧浓度呈正相关。

SRB介导的镉固定化机制
在厌氧条件下，E. quasihormaechei将SO₄^2?还原为S^2?的化学计量比为2:1，生成的S^2?立即与Cd²⁺结合形成纳米级CdS沉淀。XRD图谱显示典型的立方闪锌矿结构，FTIR检测到Cd-S键特征峰。这种生物矿化作用使Cd²⁺的7天固定效率达75%，且形成的CdS具有较高稳定性。

SOB对固定化产物的影响
P. protegens在好氧条件下优先氧化S₂O₃^2?而非S^2?，其S^2?→SO₄^2?转化比为1.29:1。对生物源CdS的溶解实验表明，7天内仅18%的Cd重新释放，远低于化学合成CdS的溶解率。SEM显示微生物胞外聚合物(EPS)包裹CdS颗粒，显著降低其氧化溶解速率。

协同硫循环的建立
关键发现在于两种菌形成自给自足的硫循环：SRB产生的S^2?部分转化为SO₄^2?后重新被SRB利用。这种"SRB固定-SOB再生"的闭环系统，使SO₄^2?利用率提升2.3倍，最终将90%以上的Cd稳定在S^2?价态。

该研究首次证实SRB与SOB的协同作用可突破传统生物修复的局限性。通过精准调控SO₄^2?/S^2?转化平衡，不仅实现Cd的长期稳定化，还解决了电子供体持续供应难题。这种"以废治废"的策略，为复杂环境条件下的重金属治理提供了可复制、可持续的技术范式，具有重要的工程应用价值。