铁硫复合载体强化低C/N市政污水混合营养与硫自养反硝化的生物膜调控及电子传递机制

针对低碳氮比(C/N)市政污水处理中硫自养反硝化(SAD)效率低、启动慢的难题，研究人员开发了铁硫改性载体(FeS@MC)，通过构建S-Fe-SBR系统实现16天快速启动。该载体通过多孔结构促进硫氧化菌(如Thiobacillus)富集，刺激胞外聚合物(EPS)分泌并提升soxA基因表达126%，同时增强电子传递能力和硝酸还原酶活性，最终建立高效混合营养反硝化路径，为碳受限污水脱氮提供可持续解决方案。

　　

随着城市化进程加速，居民用水量激增和雨水稀释效应导致市政污水普遍呈现低碳氮比(C/N)特征，传统异养反硝化工艺难以满足日益严格的排放标准。虽然外加碳源可暂时缓解问题，但存在成本高、污泥产量大、温室气体排放等弊端。硫自养反硝化(SAD)因其无需外加碳源、污泥产量低等优势被视为潜在解决方案，但硫元素生物利用度低、启动周期长、硫酸盐副产物积累等问题制约其应用。

台州市500精英人才计划(项目号22DSX005083)与国家自然科学基金(52400009)支持的研究团队创新性地开发了铁硫改性复合载体(FeS@MC)，并将其整合至原位序批式反应器(S-Fe-SBR)中。通过16天的快速启动实验证实，该系统在低碳氮比条件下总氮去除效率显著提升，相关成果发表于《Bioresource Technology》。

研究采用载体表征(扫描电镜SEM-EDS)、电化学分析(电子传递系统活性ETSA测定)、宏基因组技术和长期反应器监测等方法。通过比较FeS@MC与传统硫载体的理化性质差异，结合生物膜动态形成过程、关键酶活性变化及微生物群落演替规律，系统解析了载体强化的多重机制。

载体特性与性能
FeS@MC通过熔融硫与1-十二烷基磺酸钠造孔剂复合，形成1-3μm的层级孔隙结构，表面铁含量达3.76%。比表面积测试显示其较传统硫载体提升4.2倍，孔隙率增加215%，为微生物附着提供理想微环境。

生物膜增强机制
载体粗糙表面促进Thiobacillus等硫氧化菌选择性富集(相对丰度提升38%)。Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原循环刺激胞外聚合物(EPS)分泌，其中蛋白质含量增加2.1倍，多糖增加1.7倍。宏基因组分析显示硫氧化关键基因soxA表达量提升126%。

电子传递促进
循环伏安法证实FeS@MC使电子转移能力提升2.3倍，硝酸还原酶(NAR)活性增加198%。铁-硫协同作用建立了"载体-生物膜-胞外电子"三级传递网络，将反硝化速率常数(k)从0.18提升至0.43 h^-1。

讨论与意义
该研究开创性地将铁硫化学与生物膜工程相结合：① 多孔载体设计突破硫元素溶解限制，缩短启动周期至传统系统的1/3；② 铁介导的氧化还原平衡减少硫酸盐副产物积累27%；③ 建立的混合营养路径实现碳氮硫代谢耦联，为低碳污水处理提供新范式。Song Yu等提出的"载体功能化-生物膜调控-代谢网络优化"三位一体策略，为污水厂原位升级改造提供了可工程化的技术路线。