微生物固定化技术增强硫酸盐还原菌性能及温度扰动下的稳定性研究

为解决酸性矿山废水(AMD)处理中硫酸盐还原菌(SRB)工艺稳定性差的问题，研究人员采用多孔水凝胶基质固定SRB(ESRB)，构建了稳定的微环境。通过210天的序批式反应器(SBR)对比实验，发现ESRB系统在温度扰动(24°C→15°C)下仍保持0.71-0.86 g SO42?/L/day的硫酸盐还原率，显著优于非固定化SRB系统。该技术为AMD生物处理提供了更可靠的解决方案。

　　

酸性矿山废水(AMD)是采矿活动引发的全球性环境问题，其高酸性、高硫酸盐及重金属含量对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统石灰中和法虽广泛应用，但存在污泥产量大、成本高等缺陷。硫酸盐还原菌(SRB)生物处理技术因其可持续性和低污泥产量备受关注，但游离SRB对环境扰动敏感，尤其在温度波动时性能急剧下降，且传统湿地处理系统存在占地面积大、效率低等问题。

针对这些技术瓶颈，澳大利亚昆士兰大学(The University of Queensland)化学工程学院的研究团队创新性地开发了微生物固定化技术，将SRB包裹在聚乙醇酸(PVA)-海藻酸钠(SA)复合水凝胶基质中，形成直径6-8 mm的固定化微球(ESRB)。通过长达210天的对比实验，研究人员系统评估了ESRB与游离SRB在序批式反应器(SBR)中的性能差异，相关成果发表在《Bioresource Technology》上。

研究采用三项关键技术：首先通过上流式厌氧污泥床(UASB)反应器富集SRB菌群；其次利用机械强度测试仪(INSTRON)量化ESRB的弹性模量；最后结合16S rRNA测序和扫描电镜(SEM)解析微生物群落结构。实验设置两组1L SBR反应器，控制COD/SO₄^2?投加比为1，在24±1°C下运行，期间故意引入两次温度扰动(降至15°C)以测试系统稳定性。

硫酸盐还原性能

ESRB系统启动36天后达到稳定，平均硫酸盐还原率为0.77±0.10 g SO₄^2?/L/day，比游离SRB系统高37%。在温度扰动期间，ESRB保持0.71-0.86 g SO₄^2?/L/day的还原率，而游离SRB系统则骤降至0-0.12 g SO₄^2?/L/day，显示ESRB对温度波动具有显著缓冲能力。

机械强度表征

压缩测试表明ESRB在210天后弹性模量(14.72±1.78 kPa)与初始值(15.59±1.37 kPa)无显著差异，且光学密度(OD₆₀₀)监测显示生物量泄漏率低于0.17±0.04 g TSS/L，证实水凝胶基质长期稳定性。

微生物群落分析

16S rRNA显示ESRB系统中脱硫菌门(Desulfobacterota)占比从10%提升至24%，新增脱硫球菌属(Desulfococcus)和互营杆菌属(Syntrophobacter)。电镜观察到2 μm的杆状菌体嵌入多孔基质，与Desulfobulbus菌形态学特征吻合。

该研究证实ESRB技术通过水凝胶基质的物理保护和微生物群落调控双重机制，解决了传统SRB系统对环境扰动敏感的行业难题。相比湿地处理系统，ESRB可减少占地面积和污泥产量，其机械稳定性支持长期运行，为AMD治理提供了可工业化的生物技术方案。未来研究可进一步优化微球密度与反应器构型，并测试其对重金属同步去除的效能。