通过重组核心产硫微生物，实现了对实际酸性矿井排水的高效处理（该处理方法具有较好的抗冲击性）

《Water Research》：Resilient sulfur-driven treatment of real acid mine drainage enabled by reorganization of core sulfidogenic microorganisms

长期运行实验室规模的硫驱动生物反应器可有效处理酸性矿井排水（AMD），在pH 4.1条件下实现稳定硫生产（68.3±12.1 mg S/L·h），去除99.9%Zn2?、Cu2?等重金属。微生物群落从多样化的合成废水适应者演变为耐金属硫还原菌（如Desulfurella、Athalassotoga），其代谢机制包括硫呼吸、酸抗性和重金属解毒，展现出强环境适应性和群落结构稳定性。

　　

夏俊涛|韩俊杰|梁宏|邱彦颖|谢玉光|徐慧|张亮|蒋峰

中国广东省环境污染控制与修复技术重点实验室，中山大学环境科学与工程学院，广州

摘要

以元素硫为驱动的硫化作用过程为酸性矿井排水（AMD）处理提供了一种有前景的替代方案，其优势在于由于有机物质需求较低而降低了运营成本。然而，在实际AMD条件下，高酸度和金属浓度带来的强烈环境压力下，这些过程的长期性能和微生物稳定性仍不甚清楚。本研究在实验室规模下运行了一个硫驱动的生物反应器，持续258天，以评估其在处理实际AMD时的长期硫化物生成能力、金属去除效率以及微生物演替情况。该系统在酸性条件（pH 4.1 ± 0.2）下保持了稳定的硫化物生成速率（68.3 ± 12.1 mg S/L-h），碳硫比（约0.23，即每毫克硫化物消耗的毫克总有机碳）与硫还原的理论值一致。通过生物硫化物作用，AMD中的Zn²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺和Co²⁺超过99.9%被有效去除。即使在高金属浓度（例如Zn²⁺约400 mg/L，Cu²⁺约51 mg/L）的情况下，硫化细菌也表现出很强的适应性和稳定性。微生物分析显示，在AMD条件下，系统从多样化的发酵菌群转变为专门的耐金属硫化菌（如Desulfurella, Athalassotoga）。对这些菌类的宏基因组分析揭示了它们具有独特的代谢策略，包括硫呼吸、耐酸性和金属解毒能力，这支持了它们在富金属和低pH环境中的优势。值得注意的是，该微生物群落对长期金属暴露和急性金属冲击表现出很强的结构韧性，通过内部重组而非分类单元更替来维持硫化作用功能。这些发现证明了硫驱动硫化系统的可行性、稳定性和生态适应性，有助于经济高效地处理实际AMD。

引言

酸性矿井排水（AMD）通常呈酸性（pH < 4），含有高浓度的溶解金属，包括铁、锌、铜、铝和锰（Hedrich和Johnson，2014年），这些金属对人类健康和周围生态系统构成严重威胁。生物硫酸盐还原法通过形成金属硫化物沉淀物有效去除金属（Muyzer和Stams，2008年）。与传统的氢氧化沉淀法相比，生物硫化法产生的残余金属浓度更低，产生的污泥更稠密且体积更小，并提高了脱水效率（Hidalgo-Ulloa等人，2020年）。Paques公司开发的THIOPAQ?是一种成熟的基于生物硫化物的商业技术，已广泛应用于含金属的工业废水处理（Muyzer和Stams，2008年）。然而，AMD中有机碳的不足限制了微生物硫酸盐还原的进行，需要添加外部有机底物（如乙醇、葡萄糖），从而增加了运营成本和相关的碳排放。

为了解决这一限制，最近出现了硫还原作为一种替代的最终电子受体过程，其中硫化微生物利用元素硫作为最终电子受体，有机物作为电子供体，硫化物作为副产品。这一途径理论上仅消耗硫酸盐还原所需有机碳的25%，同时仍能提供相当的系统性能（Zhang等人，2021a），因为硫还原每摩尔硫化物产生的电子当量仅为硫酸盐还原的四分之一（Zhang等人，2021a），从而使该过程更具经济可行性。重要的是，硫还原可以在酸性条件下进行，这对于AMD处理特别有利。在这种环境下，金属硫化物的溶解度高度依赖于pH值，低pH值条件下可以顺序沉淀金属并实现选择性回收，从而在环境和经济上带来额外收益（Hidalgo-Ulloa等人，2020年，Hidalgo-Ulloa等人，2024年）。在设计的硫化AMD系统中，生物反应器通常位于金属沉淀器下游，以减少金属离子对硫化细菌的毒性影响（Sun等人，2018年，Sun等人，2020a）。这种空间分离有助于根据具体工艺要求优化反应器性能。然而，大多数关于硫驱动硫化过程的研究依赖于仅含有机底物和/或硫酸盐的合成废水（Sun等人，2018年；Guo等人，2019年；Sun等人，2020a；Sun等人，2020b；Hidalgo-Ulloa等人，2024年），主要是因为这样的系统可以在受控条件下更清晰地研究潜在的生化机制。迄今为止，将硫驱动硫化系统应用于实际AMD（其特征是复杂的水化学成分和高溶解金属浓度）的情况很少被评估，尤其是在长期连续运行条件下。因此，尚不清楚这些系统在面对实际AMD的化学复杂性和金属压力时能否维持稳定的硫化物生成和微生物功能。

此外，AMD还含有多种金属离子（Cu、Zn、Pb、Al、Fe）。在两阶段AMD处理系统中，上游的金属沉淀器可以去除大部分金属离子；然而，由于在酸性条件下硫化物无法固定Al和Mn，这些离子仍可能进入下游的硫化生物反应器（Sun等人，2020b）。尽管Al和Mn的急性微生物毒性相对较低，但它们在AMD中的长期积累（通常达到数百毫克/升）可能会对硫化微生物群落造成慢性间接压力。例如，Al³⁺可能在酸性条件下影响细胞表面性质，而Mn²⁺可能通过离子竞争或氧化还原失衡增加代谢维持需求，从而影响生物反应器的稳定性和性能（Verstraeten和Oteiza，2002年；Fu等人，2025年）。此外，实际AMD的复杂基质如何影响微生物群落结构和演替，以及如何影响硫化菌的丰度和活性尚不清楚。值得注意的是，前置金属沉淀器的效果会显著影响硫化生物反应器的效率。如果金属离子无法在金属沉淀器中有效去除，这些离子将不可避免地进入硫化生物反应器。因此，研究硫化微生物对金属的耐受性及其背后的机制至关重要。

因此，我们连续运行了一个硫驱动的硫化系统来处理实际AMD，目的是：(a) 评估系统在硫化物生成和金属固定方面的长期稳定性；(b) 确定硫驱动硫化反应器在不同金属浓度下的稳定性；(c) 阐明微生物群落动态以及在实际AMD暴露下硫化作用的恢复力和适应性的功能机制。本研究的结果有助于我们理解极端环境下的硫化微生物群落，也有助于优化硫驱动硫化AMD处理工艺的运行。

系统设置与运行

硫驱动的硫化AMD处理系统设置

建立了一个由四个模块组成的硫驱动硫化AMD处理系统，包括一个氧化铁的生物反应器、一个铁沉淀器、一个金属沉淀器和一个硫化生物反应器（图S1）。模块1是一个气升式反应器，工作体积为0.6升，其中亚铁离子被氧化为铁离子，水力停留时间（HRT）为6小时。在模块2中，通过添加NaOH在pH 4的条件下沉淀Fe³⁺离子。去除铁后，剩余的金属离子

硫驱动硫化生物反应器的长期性能

该硫化生物反应器运行了258天，具有较高的硫化物生成速率。简要来说，在第一阶段（第1-15天），硫化生物反应器接受了pH 5.4 ± 0.2的合成废水，产生了360.2 ± 71.8 mg S/L的硫化物（图1a）。硫化物生成速率为51.5 ± 10.3 mg S/L-h。相应地，平均消耗了124 mg C/L的总有机碳（图S2）。在第二阶段（第16-115天），进水中的硫酸盐浓度在380至1090 mg S/L之间，pH值逐渐

讨论

本研究表明，硫驱动的硫化系统作为处理实际AMD的稳健且低碳的解决方案具有长期可行性。与大多数在简化合成条件下进行的研究不同，当前系统在实际AMD条件下连续运行，包括低pH值、高硫酸盐浓度和高金属浓度。即使在直接暴露于未经处理的AMD的情况下，258天内也保持了稳定的硫化物生成

环境影响

美国环保署（EPA）认为AMD是与采矿活动相关的最严重和持久的环境问题之一，因为其酸性和高浓度的溶解金属威胁着水生生态系统和水质安全（Bao等人，2023年）。除了有效去除AMD中的金属（例如超过99.9%的Zn²⁺、Cu²⁺和Ni²⁺）外，硫驱动的硫化生物反应器在处理实际AMD时平均实现了68.3 mg S/L-h的硫化物生成速率。

结论

本研究首次证明了硫还原在处理实际AMD方面的长期可行性。主要结论如下：

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在处理实际AMD时，硫驱动的硫化生物反应器表现出稳定的性能，硫酸盐生成速率为68.3 ± 12.1 mg S/L-h，与使用合成废水时的速率没有显著差异。生物硫化物主要由硫还原而非硫酸盐还原产生。

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硫驱动

作者贡献声明

夏俊涛：撰写——原始草案、数据可视化、概念构思。韩俊杰：数据可视化、方法学、形式分析、数据管理。梁宏：方法学、数据管理。邱彦颖：撰写——审阅与编辑、验证、方法学、调查、数据管理、概念构思。谢玉光：方法学、数据管理。徐慧：撰写——审阅与编辑、验证、数据管理。张亮：撰写——审阅与编辑、数据可视化、验证、监督

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52570102）、广东省基础与应用基础研究基金（2025A1515011978）、中山大学基本科研业务费（24hytd007）和中国博士后科学基金（2025M771265）的支持。