高温含水层储热系统中硫化甲苯的微生物矿化：温度对硫酸盐还原菌群落的影响

本研究针对高温含水层储热(HT-ATES)技术应用中烃类污染物降解的潜在影响，通过富集两种污染场地微生物群落，系统探究了12-45℃下硫酸盐还原菌(SRB)对甲苯的矿化能力。研究发现45℃为厌氧甲苯降解的温度上限，并揭示了温度适应性群落中Desulfosporosinus（12℃）和Caldiserica（45℃）等关键菌属的演替规律，为HT-ATES与生物修复的协同应用提供了理论依据。

　　

随着全球能源转型的加速，高温含水层储热(HT-ATES)技术因其碳中和特性成为城市区域供热系统的关键解决方案。然而，这些储热系统多建于工业污染区，其高温运行可能干扰含水层中烃类污染物的自然衰减过程。尤其值得关注的是，在缺氧环境下，硫酸盐还原菌(SRB)主导的甲苯等芳香烃降解过程对温度变化极为敏感，但相关研究几乎空白。

德国亥姆霍兹环境研究中心(Helmholtz Centre for Environmental Research-UFZ)的Mohammad Sufian Bin Hudari和Carsten Vogt团队在《FEMS Microbiology Ecology》发表的研究，首次系统揭示了12-45℃温度梯度下含水层微生物群落对甲苯的矿化机制。研究人员从Zeitz和WeiBandt-Golzau两个烃类污染场地获取样本，建立硫酸盐还原富集体系，结合稳定同位素示踪和16S rRNA测序技术，解析了温度对降解效率及群落结构的影响。

关键技术方法包括：1) 建立含[¹³C]-α-甲苯的微宇宙培养系统模拟不同HT-ATES温度场景(12/25/38/45℃)；2) 通过δ¹³CO₂和硫化物产量测定矿化速率；3) 采用Illumina MiSeq平台进行微生物群落分析；4) 设计温度骤变实验（永久/暂时性变化）评估群落韧性。

温度对甲苯矿化速率的影响
数据显示矿化速率呈双相分布：12-25℃时速率稳定(10.7-16.2 μM d^-1)，38℃出现4-6倍降低，而45℃群落却展现出最高活性(40.3 μM d^-1)。值得注意的是，60℃条件下未能建立活性群落，证实45℃为当前体系的温度上限。

关键功能菌群的温度适应性
低温组(12℃)由Desulfosporosinus主导（占比59-88%），其孢子形成能力可能助力低温环境生存。中温组(20-25℃)出现Desulfoprunum、Pelotomaculum等多菌属协同网络，暗示代谢分工。高温组(45℃)的突破性发现是Caldiserica门TTA-B15类群（占比6-52%）和Desulfurispora（39-42%）的富集，这些典型嗜热菌首次被证实参与甲苯厌氧降解。

温度扰动的生态风险
温度≥38℃的永久性变化导致多数群落丧失降解能力，仅12→25℃转换保持活性。暂时性热冲击(14天)后，暴露于45℃的群落可恢复功能，但60℃处理造成不可逆损伤。微生物数据显示，高温选择压力导致OPB41和Spirochaetaceae等机会菌群增殖，破坏原有功能网络。

这项研究确立了含水层SRB群落的温度响应框架：1) 鉴定出45℃为甲苯厌氧矿化的临界温度；2) 揭示Desulfosporosinus和Caldiserica分别作为低/高温降解的关键功能类群；3) 证明短期热冲击的可逆性高于永久升温。这些发现为HT-ATES系统的环境风险评估提供了微生物学依据，提示在实际应用中需避免核心区温度超过45℃以保护原位降解潜力。未来研究可进一步探索生物强化策略，将嗜热降解菌群引入HT-ATES系统，实现储热与污染修复的双重效益。