硫酸盐抑制效应的动力学建模：华盛顿肥皂湖新型硫碱弧菌生长动态与代谢转换机制研究

本研究针对工业脱硫系统中硫酸盐积累抑制微生物活性的关键问题，通过实验与建模相结合的方法，揭示了新型Thioalkalivibrio sp.菌株的生长动力学特征和硫酸盐抑制阈值（PSO4,max）。开发的BioGIM模型首次量化了硫代硫酸盐（S2O32–）与单质硫（S0）的代谢转换机制，为优化生物脱硫工艺提供了关键参数和预测工具。

　　

在工业废气处理和废水处理系统中，还原性无机硫化合物（RISCs）的积累是一个普遍存在的挑战。这些化合物不仅对环境有害，还会在生物脱硫过程中转化为硫酸盐（SO₄^2–），而硫酸盐的过度积累会抑制微生物活性，导致系统效率下降甚至失效。特别是在碱性生物脱硫反应器中，硫酸盐的积累会引发系统酸化，降低硫化氢（H₂

针对这一科学问题，来自华盛顿州立大学的研究团队从华盛顿肥皂湖（Soap Lake）这一独特的碱性高盐环境中分离出新型Thioalkalivibrio sp.菌株，并通过实验与建模相结合的方法，系统研究了其生长动力学、硫酸盐抑制效应以及硫代谢转换机制。研究成果发表在《Green Chemical Engineering》上，为工业生物脱硫系统的设计和优化提供了重要理论依据和实用工具。

研究采用了以下关键技术方法：1）从肥皂湖沉积物中分离纯化硫碱弧菌菌株（SOB-10和SOB-14），通过16S rRNA基因测序进行系统发育鉴定；2）在碱性（pH 10）和高盐（0.6 M Na⁺）条件下进行硫代硫酸盐生长实验，测定生物量、底物消耗和产物形成动力学；3）开发新型动力学模型BioGIM（Biodesulfurization Growth Inhibition Model），整合Haldane方程与硫酸盐抑制因子，定量描述生长抑制阈值和代谢转换过程；4）通过元素分析（CHNS）和光谱法测定硫转化产物分布。

研究结果揭示了以下重要发现：

4.1. 菌株特性

分离的SOB-10和SOB-14菌株经鉴定与Thioalkalivibrio versutus具有高度相似性。这些极端嗜碱菌在pH 10、0.6 M Na⁺和35°C条件下表现最佳生长，能够利用硫化物、多硫化物和硫代硫酸盐等多种RISCs作为能量底物。

4.2. 硫代谢特征

硫平衡分析显示，硫代硫酸盐通过Sox多酶系统被转化为单质硫和硫酸盐。在底物限制条件下（硫代硫酸盐<10 mM），菌株会启动代谢转换机制，将积累的单质硫重新氧化为硫酸盐，转化速率达2.12 mM S⁰/天，其中70%转化为硫酸盐（1.48 mM SO₄^2–/天）。

4.3. 硫酸盐抑制效应

实验证实硫酸盐积累会显著抑制菌株生长和底物利用。通过BioGIM模型量化得出：SOB-10的硫酸盐抑制阈值（P_SO4,max）为125±3.6 mM，而SOB-14表现出更高耐受性（133±2.7 mM）。当硫酸盐浓度超过阈值时，比生长速率和硫代硫酸盐利用率显著下降。

4.5. 模型验证与应用

BioGIM成功预测了菌株生长动力学（R²>0.80）和代谢转换行为。敏感性分析显示硫酸盐抑制阈值（P_SO4,max）和抑制因子（k）是影响系统性能的最关键参数。情景分析表明，提高P_SO4,max可显著扩展系统的操作窗口。

这项研究首次建立了定量描述硫碱弧菌硫酸盐抑制效应和代谢转换的动力学模型，明确了两个关键生理极限：1）硫酸盐积累阈值（~130 mM），为工业反应器的操作控制提供了明确界限；2）硫代硫酸盐临界转换浓度（10 mM），指导优化单质硫回收策略。BioGIM模型不仅可用于菌株筛选和工艺设计，其提出的"代谢转换"机制框架还可拓展至其他化能自养微生物系统的研究。这些发现对解决工业脱硫系统中的酸化和效率低下问题具有重要实践意义，同时为极端环境微生物的适应性研究提供了新视角。未来研究可结合组学技术进一步揭示硫酸盐耐受性的分子基础，并通过中试验证模型的工业适用性。