《Fermentation》：Research Progress and Applications of Microbial Deodorization Technology
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恶臭气体的排放已成为畜禽养殖、有机固废处理及废水污泥处置过程中的关键环境挑战，典型污染物包括NH3、H2S及各类挥发性有机物（VOCs）。传统物化除臭方法受限于设备复杂、能耗高及二次污染等问题，而微生物除臭技术因其低能耗、环境友好及产物安全等优势受到广泛关注。
恶臭气体的排放已成为畜禽养殖、有机固废处理及废水污泥处置过程中的关键环境挑战，典型污染物包括NH3、H2S及各类挥发性有机物（VOCs）。传统物化除臭方法受限于设备复杂、能耗高及二次污染等问题，而微生物除臭技术因其低能耗、环境友好及产物安全等优势受到广泛关注。目前针对微生物除臭技术的系统性综述仍较为有限，尤其是针对不同来源恶臭气体组分差异及其微生物去除机制的探讨尚不充分。本文系统总结了不同来源恶臭气体的主要组分、特征及排放规律，综述了高效脱臭微生物的筛选与菌群构建的最新进展及其在实际恶臭治理中的应用实践。进一步探讨了基于基因改造、酶调控及代谢通路重构等新兴代谢工程策略，阐明了其在提升微生物降解效能及推动下一代除臭系统理性设计方面的潜力。最后提出了未来研究方向以应对现存挑战，为微生物除臭系统的理性设计与工程应用提供参考。
1. Introduction
恶臭气体源于人类日常活动及工农业生产过程，畜禽养殖场舍与粪污贮存设施、生活垃圾堆肥厂与卫生填埋场、厌氧消化器与沼气净化洗涤塔、污泥脱水与堆肥单元等均为重点管控场景。典型恶臭化合物包括NH3、H2S及挥发性有机物（VOCs）。长期暴露于此类气体不仅会引发焦虑、抑郁等心理问题，还可导致眼刺激、头痛、呼吸系统疾病、恶心及呕吐等生理损害。同时，NH3排放造成氮素流失，大气H2S参与光化学烟雾与酸雨形成，VOCs则与全球变暖等环境问题密切相关。当前恶臭治理技术主要包括物理法（吸附、稀释、中和）、化学法（燃烧、氧化、吸收）及生物法。微生物除臭技术自20世纪50年代兴起，利用微生物代谢活动降解污染物，具有生长快、繁殖周期短、环境适应性强及可分泌特异性降解酶等特点，相比物化方法具备去除效率高、运行成本低、操作简便及二次污染少等优势。然而，针对该技术特别是不同来源恶臭组分微生物去除机制差异的系统性综述仍较匮乏。本综述旨在总结恶臭气体来源与组成，对比各国排放标准，系统阐述微生物除臭机制与影响因素，探讨高效菌株筛选与菌群构建进展，并结合技术应用现状提出未来发展方向，为恶臭气体的高效靶向治理提供理论与技术支撑。
2. Methods
研究人员通过系统检索Web of Science与Scopus数据库，采用“bio* AND odor* AND remov”“biofilter AND hydrogen sulfide”“ammonia AND microbial AND treatment”等布尔逻辑检索式筛选文献。纳入标准限定为经同行评审的英文原创研究与综述，排除非生物除臭相关研究及缺乏微生物表征数据的文献。经标题与摘要初筛后，对保留文献进行全文审阅，最终纳入文献依据目标污染物、生物反应器构型、优势功能微生物、关键代谢酶、去除效率及运行条件等参数进行分类分析。
3. Composition and Emission Standards of Odorous Gases from Different Sources
不同来源的恶臭气体在组分与排放路径上存在显著差异。畜禽养殖源恶臭主要产生于粪污处理环节，以NH3、H2S及萘、乙醛等VOCs为主。NH3主要来自产脲酶微生物对尿液中尿素的酶解及粪便含氮有机物的微生物分解，H2S则源于厌氧条件下硫酸盐还原及含硫氨基酸（如半胱氨酸、蛋氨酸）的降解，其中NH3排放量通常最高，H2S排放随季节与养殖类型波动。有机固废处理过程中，恶臭主要在预处理与堆肥阶段释放，卤代烃占比约33%，其次为NH3（21%）与还原性硫化物（14%），厨余垃圾堆肥更易产生高浓度H2S。废水与污泥处理的恶臭主要产生于脱水与堆肥环节，组分随工艺阶段变化：初始阶段以H2S为主，高温期以α-蒎烯等VOCs为主，后期则以NH3为主。各国恶臭排放标准在严格程度与控制物质范围上差异显著。日本作为首个立法控制恶臭的国家，《恶臭防止法》管控22种指定物质，并对工业区与非工业区设定差异化边界浓度限值，管理精细化但对技术稳定性要求高。韩国亦建立了完善的管控体系。中国现行《恶臭污染物排放标准》（GB 14554-93）仅管控8种恶臭物质，指标限值相对宽松，且在污染物覆盖度与行业差异化管控方面存在不足。
4. Mechanisms and Influencing Factors of Microbial Deodorization
4.1. Mechanisms of Microbial Deodorization
微生物除臭本质是利用微生物将NH3、H2S及VOCs作为能源、碳源或氮源，经气相传质、细胞表面转化及胞内代谢等系列生化反应转化为无害产物的过程。4.1.1. NH3 Removal: Conventional Nitrification–Denitrification and Simultaneous Heterotrophic Nitrification–Aerobic Denitrification Pathways
NH3的微生物转化是典型的生物氮循环过程。传统途径依赖序批式硝化-反硝化，由氨氧化细菌（AOB，如Nitrosomonas）催化NH3经氨单加氧酶（AMO，限速酶）氧化为羟胺（NH2OH），再经羟胺氧化还原酶（HAO）氧化为亚硝酸根（NO2?）；亚硝酸盐氧化细菌（NOB，如Nitrobacter）通过亚硝酸根氧化酶（NXR）将NO2?氧化为硝酸根（NO3?）；缺氧条件下反硝化细菌（DNB）经硝酸还原酶（Nar）、亚硝酸还原酶（Nir）、一氧化氮还原酶（Nor）及氧化亚氮还原酶（Nos）将硝酸盐逐步还原为N2。此外，厌氧氨氧化（anammox，由浮霉菌门如Candidatus Brocadia执行）可在严格厌氧条件下直接以NH4+和NO2?为底物生成N2；全程氨氧化（comammox，如部分Nitrospira）可独立完成NH4+至NO3?的全部转化，但二者在除臭系统中的贡献仍需深入探究。异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）途径由Paracoccus、Halomonas等异养微生物介导，好氧条件下可直接将NH3转化为N2或N2O，无明显中间产物积累，其代谢路径主要有两条：NH4+→NH2OH→NO2?→NO→N2O→N2或NH4+→NH2OH→NO→N2O→N2，该途径突破了传统脱氮的溶解氧限制，是未来生物脱氨的重点方向。4.1.2. Removal of H2S and Sulfur-Containing VOCs: Sulfur Oxidation Pathways and Sulfur Fate
含硫恶臭化合物的生物氧化由硫氧化酶系介导，经硫化物→单质硫（S0）→亚硫酸盐→硫酸盐（SO42?）或硫代硫酸盐→硫酸盐的路径转化。关键酶包括硫化物:醌氧化还原酶（Sqr）、黄素细胞色素c硫化物脱氢酶（Fcc）、异化亚硫酸盐还原酶（Dsr）、硫双加氧酶（Sdo）、亚硫酸盐:细胞色素c氧化还原酶（SorAB）、亚硫酸盐:醌氧化还原酶（SoeABC）、腺苷-5'-磷酸硫酸还原酶（Apr）及过硫化物双加氧酶（Pdo）。Sqr催化H2S两电子氧化并驱动S0沉积，电子经醌池传递至呼吸链产能；谷胱甘肽（GSH）系统通过将活性硫转化为谷胱甘肽过硫化物（GSSH）维持胞内硫稳态并促进其定向转运。生成的S0可胞内或胞外积累（如Acidithiobacillus的硫颗粒），有助于缓冲高浓度H2S冲击并实现硫回收。低浓度条件下，硫氧化（Sox）系统（如Arcobacter butzleri的SoxXYZAB复合体）可将H2S完全氧化为SO42?。部分微生物（如Thiobacillus）的Sox系统与腺苷-5'-磷酸硫酸（APS）代谢网络偶联，以APS为关键中间体完成氧化。甲硫醇（CH3SH）、二甲基二硫（CH3SSCH3）等含硫VOCs经胞外酶（如Hyphomicrobium的甲硫醇氧化酶）裂解C-S键生成H2S后再进入硫氧化途径，因此构建兼具C-S键断裂功能与高效硫氧化功能的微生物菌群是实现含硫VOCs彻底稳定去除的有效策略。4.1.3. Removal of Non-Sulfur VOCs: Assimilatory and Dissimilatory Metabolism as Carbon Sources
非硫VOCs（如苯、甲苯、苯乙烯）作为碳源与能源被微生物利用。芳香化合物经双加氧酶引入两个氧原子开环生成顺,顺-己二烯二酸，或经单加氧酶引入一个氧原子生成酚类/醇类中间体，最终进入三羧酸（TCA）循环矿化为CO2和H2O。烷烃则经烷烃羟化酶（AlkB，限速酶）末端羟基化生成醇，再经醇脱氢酶（ADH）与醛脱氢酶（ALDH）依次转化为醛与羧酸后进入中心代谢。污染物的疏水性（决定气液传质速率）与分子结构复杂性（影响加氧酶催化可及性）是降解过程的限速因素。筛选携带广谱加氧酶（如Pseudomonas putida F1的甲苯双加氧酶TDO，可作用于甲苯、苯、乙苯、萘及氯代芳烃）的菌株，结合疏水性填料（活性炭、硅藻土）或表面活性剂强化传质，或采用共代谢策略（以葡萄糖等为辅助底物）是提升难降解VOCs处理效能的关键。4.2. Influencing Factors of Microbial Deodorization
温度、pH、含水率及曝气量是调控微生物除臭效率的核心环境参数。中温范围（20–45 °C）最利于微生物代谢，超过45–50 °C会显著抑制嗜中温微生物活性。pH通过影响污染物存在形态与酶活性发挥作用：近中性（pH 7–8）利于混合菌群协同代谢，微酸性条件更利于NH3降解，碱性条件则促进H2S传质，真菌系统在酸性条件下对VOCs降解具独特优势。曝气量不仅提供好氧微生物所需氧气，还参与散热与挥发性物质脱除，适度间歇曝气可优化微环境降低NH3与H2S排放，但过度曝气可能破坏微生物群落结构与反应器内水分平衡。含水率是固态堆肥系统的重要参数，50–70%为最佳范围，可同时满足基质溶解、微生物迁移及氧气扩散需求；液相生物反应器（如生物洗涤塔、生物滴滤塔）中水分非限制因子，pH、溶解氧与营养浓度成为主控因素。偏离适宜含水率会抑制硝化与硫酸盐还原等途径，促进NH3与H2S释放。
5. Screening and Consortium Construction of Deodorizing Microorganisms
5.1. Screening of Deodorizing Microorganisms
5.1.1. Screening of NH3-Removing Strains
NH3脱除菌株筛选已从传统硝化菌、反硝化菌转向HN-AD菌株。HN-AD菌（主要分布于Pseudomonas、Bacillus、Acinetobacter及部分真菌）在初始铵氮浓度50–500 mg/L条件下可实现85–99%的脱氮效率，突破传统脱氮的溶解氧限制，实现单反应器同步脱氮。优化碳氮比（通常为8–12）可显著上调amoA与napA基因表达，提升高氨氮负荷下的代谢速率。5.1.2. Screening of H2S-Removing Strains
H2S脱除优势菌群包括嗜酸性的Acidithiobacillus与中性的Thiobacillus。研究聚焦于耐酸菌株筛选，其在pH 2.0–4.0极端条件下仍可维持95%以上的H2S去除率，主要依靠Sox多酶复合体实现硫物种完全氧化。高表达sqr、dsrA、soxB等基因的菌株可有效避免单质硫在生物膜表面积累导致的填料堵塞。5.1.3. Screening of VOC-Degrading Strains
VOCs降解菌需具备高活性核心酶系与强胁迫耐受性。亲水性VOCs（甲醇、乙醇、丙酮等）主要由甲基营养菌（如Rhodococcus）降解；疏水性VOCs则更适于真菌（如Candida、Fusarium）降解，其菌丝结构及细胞壁疏水蛋白可增强污染物吸附，胞外酶（木质素过氧化物酶、漆酶）具非特异性氧化能力，且真菌比表面积大、抗干燥与耐酸能力强。真菌生物过滤器对甲苯、二甲苯等疏水性气体的去除负荷通常比细菌系统高20–40%，但需注意真菌自身气味带来的二次污染风险。此外，耐高盐、极端pH或高温的菌株更适用于实际污染环境。5.2. Construction of Deodorizing Microbial Consortia
针对实际恶臭中NH3、H2S与VOCs多组分共存的特点，技术研究已从单一菌株筛选转向多功能菌群构建。早期有效微生物（EM）技术整合乳酸菌、酵母菌与光合细菌，抑制有机物腐败并减少异味前体生成。当前商业化除臭制剂多以Lactobacillus、Bacillus、酵母菌与放线菌为核心，部分添加硫氧化菌（SOB）或酶制剂强化NH3与H2S转化，在垃圾填埋与污水处理中可实现90%以上NH3去除率及85–95% H2S去除率。但商业制剂普遍存在菌种组成不透明、缺乏统一评价标准、效能受场景依赖性强、长期定殖能力与功能稳定性差、多组分VOCs协同降解能力不足等问题。未来需基于宏基因组与代谢网络分析建立标准化功能菌群数据库，开发合成菌群与定向驯化策略提升生态竞争力，推行“菌剂-载体材料-反应器系统”一体化设计，并建立统一的制剂评价体系与工程应用标准。5.3. Metabolic Engineering Strategies for Enhancing Microbial Deodorization
代谢工程改造处于从靶点识别向工程菌株开发过渡的阶段。NH3转化中AMO是核心靶点，但其为多亚基膜结合铜单加氧酶，仅过表达amoA无法重建功能，需协调表达催化亚基、辅助组件及下游羟胺解毒模块。硫氧化途径的改造更为成熟，过表达sqr基因可提升Acidithiobacillus ferrooxidans的硫氧化能力与H2S耐受性，Sulfurimonas denitrificans的sqr基因可在Rhodobacter capsulatusΔsqr突变株中恢复功能，但完整Sox基因簇在工业底盘中的异源表达仍面临膜定位、醌池兼容性等挑战。针对VOCs，通过染色体整合多基因簇可拓展底盘微生物底物谱，如工程化Vibrio natriegens可同时降解甲苯、苯酚、萘等多种芳烃，在高盐废水中去除率超90%，其在气相生物除臭中的应用需进一步评估气液传质与生物膜稳定性等因素。
6. Microbial Deodorization Technologies and Their Applications
微生物除臭技术分为源头控制的原位技术与末端治理的异地生物技术。6.1. In Situ Treatment Technologies
6.1.1. Feed Additives
将乳酸菌、Bacillus等益生菌添加到畜禽饲料中，重塑肠道微生态，抑制腐败菌增殖，从源头减少异味前体生成，兼具改善动物生产性能的优势，适用于集约化密闭养殖场。肉鸡日粮中添加Bacillus subtilis可降低盲肠NH3排放通量约30%，虽增加饲料成本2–5%，但可通过提高饲料转化率与降低发病率抵消投入。6.1.2. Direct Inoculation and Spraying of Microbial Agents
将高效降解菌剂直接接种或喷洒于粪堆、填埋场表面，加速恶臭矿化，广泛应用于堆肥、填埋场及临时臭源控制。堆肥初期接种嗜热功能菌可加速腐熟，降低NH3与H2S累积排放约25%，同时提升堆肥产品肥效。6.2. Ex Situ Treatment Technologies
6.2.1. Bioscrubber
生物洗涤塔先将恶臭气体在洗涤柱内吸收至液相，再在独立生物反应器内经悬浮活性污泥降解，参数可控性强、运行稳定，适用于高浓度复杂工业废气，但对疏水性有机物去除效率低、启动慢且可能产生废水二次污染。某颜料厂含硫废气治理中，生物洗涤塔比化学洗涤塔性能更优，洗涤废水中SO42?/SO32?浓度降低98.88%并实现生物硫回收。6.2.2. Biofilter
生物过滤塔以湿润的木屑、生物炭等为填料，恶臭气体通过附着微生物的生物膜被降解，操作简单、无需频繁加药、运行成本低，但占地面积大，长期运行易产生填料酸化、压实与堵塞。采用榴莲皮与鸡粪复合填料的生物滤塔对NH3平均去除率达91.53%。6.2.3. Biotrickling Filter
生物滴滤塔通过循环喷淋营养液形成流动生物膜，便于pH与营养调控，结构紧凑、空间利用率高，适用于土地受限的城市污水处理厂与工业园区，但需精细管理循环系统并处理废液。竹炭填料滴滤塔对NH3最大去除负荷超150 g/(m3·h)，去除效率达96.52%；光催化耦合微生物燃料电池（MFC）系统在处理790 mg/m3苯胺时去除负荷达18.97 g/(m3·h)，同时实现172.9 mW/m3的最大功率密度输出。
7. Conclusions and Perspectives
微生物除臭技术凭借环境友好、高效与低成本优势，已成为畜禽养殖、有机固废与污泥处理领域的重要除臭手段，但其在复杂实际场景下的长期稳定运行仍受多重因素制约：实验室筛选的高效菌株在多组分、浓度波动、高盐等实际条件下定殖与代谢稳定性不足；商业菌剂菌种组成与机理不透明，缺乏统一评价标准；多污染物共存下的菌群协同代谢机制不明；菌剂长期运行功能衰退，反应器存在填料堵塞、酸化失活与生物膜老化等问题。未来研究应聚焦：基于多组学解析复杂恶臭系统中功能菌群响应机制，构建“污染物-功能菌群-代谢通路”关联；在高氨、高硫、高盐及混合VOCs条件下筛选广谱抗性功能微生物，利用合成生物学与定向驯化构建稳定协同菌群；开发兼具吸附、缓冲与固定化功能的新型填料，提升传质效率与生物膜稳定性；推动微生物除臭与人工智能监测、在线传感及数字控制深度融合，实现参数动态调控；建立菌株筛选、反应器评价与工程应用的统一标准体系。随着多组学、合成菌群构建与智能生物反应器的发展，微生物除臭研究将从经验驱动转向理性设计，实现从单一污染物治理到复杂恶臭系统协同控制的跨越，为精准恶臭管理与废物资源化提供更高效可持续的技术支撑。
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