硫鐵礦介導(dǎo)的自養(yǎng)反硝化研究進(jìn)展

許中碩，周盼盼，王宇暉，黃威，宋新山

（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201600）

水資源短缺、水環(huán)境破壞以及水生態(tài)破壞是制約我國(guó)高質(zhì)量發(fā)展的突出瓶頸和生態(tài)文明建設(shè)的突出短板，污水資源化利用是破解上述問題的有效措施和多贏途徑。目前，我國(guó)城市各類污（廢）水年排放總量近700 億噸，是城市水環(huán)境的主要污染源，同時(shí)也是一種來源穩(wěn)定、具有潛在利用價(jià)值的可再生資源[1]。但是城市排水中具有高濃度的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，危害生態(tài)系統(tǒng)和人類健康，制約了其資源化再生梯級(jí)分質(zhì)利用。如何有效控制城市排水中氮磷污染物以保障再生水的安全合理利用，是城市污水資源化過程中亟需解決的問題。

城市排水中氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的深度控制目前已引起廣泛關(guān)注。隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，許多污水處理廠在常規(guī)水處理工藝后添加反硝化深度處理單元，以保證氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的高效去除，從而利于再生水回用于景觀生態(tài)補(bǔ)水、工業(yè)利用和市政雜用等，推進(jìn)污水處理廠從“治污單功能”向“治污供水雙功能”轉(zhuǎn)變[2]。針對(duì)城鎮(zhèn)排水中氮磷濃度高而碳源含量少的特征，工程實(shí)踐表明高效脫氮除磷尚需外加碳源和除磷藥劑，從而使城鎮(zhèn)排水深度脫氮除磷的成本提高，成為城鎮(zhèn)排水深度處理領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的制約性因素之一。相較于傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化，硫鐵礦自養(yǎng)反硝化是一種經(jīng)濟(jì)、高效和綠色的脫氮處理技術(shù)，具有節(jié)省外加有機(jī)碳源、同步脫氮除磷、減少污泥產(chǎn)量和CO2排放量等優(yōu)勢(shì)[3]，是近年來深度處理領(lǐng)域研究的前沿和焦點(diǎn)。

1 硫鐵礦自養(yǎng)反硝化技術(shù)概述

1.1 硫鐵礦介導(dǎo)自養(yǎng)反硝化的發(fā)現(xiàn)

作為自然界普遍存在且儲(chǔ)量豐富的天然礦，硫鐵礦主要包括硫化亞鐵（FeS）、磁黃鐵礦（Fe1-xS）、膠黃鐵礦（Fe3S4）以及黃鐵礦（FeS2）等[4]。20 世紀(jì)，研究者已證實(shí)在缺氧和中性pH 條件下微生物可以驅(qū)動(dòng)硫鐵礦介導(dǎo)的自養(yǎng)反硝化，是地下含水層、海洋和湖泊沉積物等自然水生環(huán)境中硝態(tài)氮還原的重要過程[5-7]。Golterman[8]于1991年發(fā)現(xiàn)在淡水系統(tǒng)中硫鐵礦物的氧化過程需要借助硝酸鹽的消耗。Garcia-Gil 等[5]于1992 年發(fā)現(xiàn)了海洋沉積物中FeS介導(dǎo)的脫氮作用。J?orgensen等[9]證明砂質(zhì)含水層沉積物中黃鐵礦可以作為反硝化細(xì)菌的電子供體；Torrentó 等[10]也發(fā)現(xiàn)黃鐵礦的添加可以增強(qiáng)受硝酸鹽污染的地下水和沉積物中的反硝化作用，并提高反硝化細(xì)菌的豐度。Vaclavkova 等[11]也發(fā)現(xiàn)FeSx的添加可以提升缺氧含水層沉積物反應(yīng)器中硝酸鹽的去除，而未添加硫鐵礦物的反應(yīng)器中幾乎未觀察到硝酸鹽的減少。由上可知，自然生境中存在微生物驅(qū)動(dòng)的硫鐵礦氧化與硝酸鹽還原的耦合現(xiàn)象。

盡管上述研究表明硫鐵礦可以作為硝態(tài)氮還原的有效電子供體，然而部分研究者認(rèn)為這可能是由于硫鐵礦中殘存的還原態(tài)硫單質(zhì)造成的，主要成分FeSx是否可以作為有效電子供體依然存在爭(zhēng)議[12]。Zhang 等[13]利 用 多 同 位 素（15N-NO-3、18N-NO-3、34S-SO2-4、18O-SO2-4以及34Spyrite）發(fā)現(xiàn)黃鐵礦氧化約占脫氮區(qū)硫酸鹽的70%，證實(shí)黃鐵礦是砂質(zhì)含水層中脫氮的主要電子供體；其中，16S rRNA 基因測(cè)序顯示存在與硝酸鹽還原相結(jié)合的硫化物氧化細(xì)菌。Jakus 等[14]利用56Fe、57Fe 以及32S 等鐵硫同位素證實(shí)了黃鐵礦介導(dǎo)的自養(yǎng)反硝化中FeS2和殘存硫單質(zhì)對(duì)硝氮去除率的貢獻(xiàn)率分別為26%和73%，直接證實(shí)了微生物可以驅(qū)動(dòng)黃鐵礦的氧化。綜上所述，除了硫鐵礦中殘留的單質(zhì)硫外，硫鐵礦（FeSx）本身亦可以作為反硝化過程的電子供體。

1.2 基于硫鐵礦的生物處理技術(shù)

基于自然生境中微生物驅(qū)動(dòng)硫鐵礦氧化與硝態(tài)氮還原的耦合作用，研究者開始利用硫鐵礦（黃鐵礦、磁黃鐵礦等）同時(shí)作為電子供體和生物膜基質(zhì)，開發(fā)相應(yīng)的生物技術(shù)用以處理各類污水。目前基于硫鐵礦開發(fā)的生物處理技術(shù)主要包括生物濾池[15-17]、人工濕地[18-20]以及生物滯留池[21]等。Capua等[22]構(gòu)建循環(huán)式黃鐵礦生物濾池，當(dāng)水力停留時(shí)間大于8h 時(shí)，硝氮和磷的去除率分別超過了90%和70%。Liang等[23]發(fā)現(xiàn)相較于人工濕地空白組，添加了磁黃鐵礦的人工濕地系統(tǒng)處理效能大幅度提升，草甘膦、總磷以及總氮的平均去除率分別高達(dá)90.3%±6.1%、 88.2%±5.1% 以 及 60.4%±5.60%。Kong 等[24]開發(fā)了生物炭-黃鐵礦雙層生物滯留池，相較于傳統(tǒng)砂基或秸稈基生物滯留池，其對(duì)雨水徑流中碳氮磷組分的去除具有更好的穩(wěn)定性和高效性。同時(shí)大量研究也發(fā)現(xiàn)，硫鐵礦介導(dǎo)微生物反硝化過程中磷污染物也得到了有效地去除[25-27]，這是由于硫鐵礦的生物和化學(xué)氧化過程中無定形Fe(OH)3和γFeOOH 等產(chǎn)物具有高比表面積和正表面電荷，可吸附沉淀去除負(fù)電性的磷污染物[22,26]。由此可見，基于硫鐵礦的生物技術(shù)可通過“生物驅(qū)動(dòng)反硝化-非生物化學(xué)除磷”雙重途徑協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)氮磷的同步去除。

2 硫鐵礦自養(yǎng)反硝化技術(shù)的影響因素

硫鐵礦自養(yǎng)反硝化技術(shù)主要是由硫鐵礦與微生物的相互作用主導(dǎo)，可歸結(jié)于固相電子供體與反硝化細(xì)菌間的界面反應(yīng)。該界面反應(yīng)的影響因素主要包括硫鐵礦特性、添加量、運(yùn)行pH以及溫度等。

2.1 硫鐵礦特性

目前廣泛研究的代表性硫鐵礦物主要包括硫化亞鐵、磁黃鐵礦以及黃鐵礦等。大量研究表明硫化亞鐵[5,28-29]、磁黃鐵礦[23,30-31]以及黃鐵礦[32-34]均可以作為電子供體以增強(qiáng)系統(tǒng)的反硝化性能；然而，他們結(jié)構(gòu)上的差異會(huì)影響其作為電子供體的性能。其中，硫化亞鐵是鐵硫化物之間反應(yīng)形成的第一種硫化鐵相，呈四方層狀結(jié)構(gòu)，是黃鐵礦或磁黃鐵礦的前體物質(zhì)[35]。磁黃鐵礦非化學(xué)計(jì)量組成顯示為Fe1-xS（0≤x≤0.125），其結(jié)構(gòu)隨著不同的缺鐵量而呈現(xiàn)不同的形式[36]。黃鐵礦非化學(xué)計(jì)量組成顯示為FeS2，其呈NaCl 型結(jié)構(gòu)，堅(jiān)固的S—S 鍵和對(duì)稱的立方晶體結(jié)構(gòu)使得其具有更高的穩(wěn)定性[37]。研究發(fā)現(xiàn)黃鐵礦的反硝化能力可能弱于其前體物（如FeS），在相同培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)條件下FeS和FeS2組的硝態(tài)氮去除率分別為61.5%和54.1%[38]。Trouve等[39]也發(fā)現(xiàn)了脫氮硫桿菌對(duì)FeS的親和力大于FeS2，說明不同硫鐵礦在生物利用性上的差異可能是影響其作為電子供體時(shí)脫氮性能的主要因素。整體而言，典型硫鐵礦的結(jié)構(gòu)特性差異會(huì)影響其作為電子供體的生物利用性。

研究發(fā)現(xiàn)硫鐵礦的晶面結(jié)構(gòu)直接決定了其是否可以被反硝化細(xì)菌利用。Haaijer等[29]發(fā)現(xiàn)當(dāng)高度結(jié)晶的黃鐵礦作為電子供體時(shí)，微生物無法驅(qū)動(dòng)其生物氧化以實(shí)現(xiàn)硝態(tài)氮的還原。Yan 等[40]也證實(shí)了純結(jié)晶的黃鐵礦不能為反硝化菌提供有效電子供體，而合成的低結(jié)晶度的FeS2則可以實(shí)現(xiàn)以硝態(tài)氮為電子受體的生物氧化。最新研究也表明，相較于多晶面結(jié)構(gòu)黃鐵礦，單晶面結(jié)構(gòu)的黃鐵礦具有更高的表面能，穩(wěn)定性更高，從而不利于反硝化細(xì)菌的利用，甚至無法作為電子供體[41]。李雅倩等[42]發(fā)現(xiàn)相較于六方磁鐵礦，低結(jié)晶度的單斜磁鐵礦表現(xiàn)出更優(yōu)異的脫氮除磷活性?；诹蜩F礦晶面結(jié)構(gòu)對(duì)其生物利用性的影響作用，研究者嘗試通過預(yù)處理手段改變硫鐵礦的物理結(jié)構(gòu)特性以增強(qiáng)其生物利用性。Aquilina等[43]發(fā)現(xiàn)普通的礦物表面呈現(xiàn)低反應(yīng)活性，而粉碎可通過誘發(fā)礦物表面缺失使其產(chǎn)生新的潛在的高反應(yīng)活性表面，從而有利于含水層中基于黃鐵礦的自養(yǎng)反硝化。Yang等[27]利用無氧焙燒研制了納米晶粒組成的黃鐵礦，其具有蜂巢狀結(jié)構(gòu)，可大大降低生物濾池出水氮和磷的濃度。綜上所述，硫鐵礦的物理化學(xué)特性是影響硫鐵礦自養(yǎng)反硝化是否發(fā)生及效率的重要因素。

2.2 硫鐵礦的添加量

硫鐵礦的添加量會(huì)影響系統(tǒng)的電子供給能力和鐵產(chǎn)物生成量，從而影響系統(tǒng)的脫氮除磷效能。一般而言，硫鐵礦的添加量與系統(tǒng)脫氮除磷能力存在正相關(guān)關(guān)系。Tong等[44]利用BBD模型和響應(yīng)面法對(duì)黃鐵礦反硝化性能進(jìn)行了研究和優(yōu)化，當(dāng)黃鐵礦劑量從50g/L 提高到125g/L 時(shí)，批次系統(tǒng)的反硝化速率顯著提高。Si等[26]發(fā)現(xiàn)在低溫條件下當(dāng)人工濕地系統(tǒng)中黃鐵礦/火山巖的質(zhì)量比從1∶10 提高到2∶1 時(shí)，NO-3-N 的去 除率從47.6% 增加到61.1%，PO3-4-P 去除率從25%升至74.7%。Chu 等[45]構(gòu)建了黃鐵礦和石英不同體積比（0∶100%、25%∶75%、50%∶50%、75%∶25%、100%∶0）的垂直流人工濕地，發(fā)現(xiàn)隨著黃鐵礦含量的增加，TN和TP去除率呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。由此可知，隨著黃鐵礦添加量的增加，系統(tǒng)的脫氮和除磷能力均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。然而，微生物和氧氣驅(qū)動(dòng)硫鐵礦的氧化作用均會(huì)導(dǎo)致SO2-4副產(chǎn)物的生成。Li等[46]研究表明在磁黃鐵礦自養(yǎng)生物濾池中，當(dāng)水力停留時(shí)間為72h 時(shí)，出水SO2-4平均濃度高達(dá)(196.69±12.12)mg/L[進(jìn)水SO2-4平均濃度僅為(34.6±1.3)mg/L]。基于污水排入城市下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（SO42-＜600mg/L）和飲用水標(biāo)準(zhǔn)（＜250mg/L），該體系出水中硫酸根離子濃度的同步增加是后續(xù)研究中值得注意的問題。

2.3 pH

pH是影響硫鐵礦自養(yǎng)反硝化的重要因素之一，主要體現(xiàn)在其可以影響反硝化細(xì)菌活性以及硫鐵礦的溶解，從而影響其對(duì)該體系脫氮效能的調(diào)控[47]。一般而言，反硝化細(xì)菌的最適pH為6.5～8.0，過高或過低的pH都會(huì)抑制反硝化細(xì)菌的正常生命活動(dòng)，從而對(duì)反硝化過程產(chǎn)生不利影響[39]；然而，硫鐵礦介導(dǎo)的自養(yǎng)反硝化對(duì)pH 范圍的響應(yīng)有所不同。Vaclavkova 等[11]發(fā)現(xiàn)在初始pH 為5.5（整個(gè)過程中4.5＜pH＜6）的條件下，砂質(zhì)含水層中缺氧NO-3-N還原耦合FeSx氧化作用依然可以發(fā)生，并導(dǎo)致NO-3-N濃度逐漸降低。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)從富含黃鐵礦的石灰?guī)r含水層中分離的硝酸鹽還原依賴鐵氧化菌群，可以在pH為6.0～6.5條件下實(shí)現(xiàn)硝酸鹽的還原[48]。Torrentó 等[33]證實(shí)了酸性pH（＜6.5）不會(huì)導(dǎo)致脫氮硫桿菌驅(qū)動(dòng)的硫鐵礦自養(yǎng)反硝化速率的降低。此外，Li 等[16]發(fā)現(xiàn)在FeS 自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中，當(dāng)初始pH 從7 下降到5 或者從7 升高至8 時(shí)，反硝化速率均呈現(xiàn)加快趨勢(shì)，但pH 大于8 時(shí)反硝化速率顯著下降。由此可知，硫鐵礦自養(yǎng)反硝化可以在較寬的pH 范圍內(nèi)（5～8）發(fā)生，特別是在酸性pH條件下（5～6）。這可能是由于：①驅(qū)動(dòng)硫鐵礦生物氧化的反硝化菌株可能具有低pH 的適應(yīng)值[49]；②較低的pH 可以促進(jìn)硫鐵礦的溶解，從而提升其反硝化速率[16]；③硫鐵礦可以作為一種有效的緩沖劑維持系統(tǒng)的pH穩(wěn)定。

2.4 溫度

溫度是微生物新陳代謝的重要因素，它可以通過影響微生物增殖速率、氮還原酶活性等來控制反硝化過程[50]。一般而言，反硝化是一個(gè)溫度依賴的過程，其在低溫條件下易受到抑制。其中，自養(yǎng)反硝化菌的適宜溫度為20～40℃，而最佳生長(zhǎng)溫度約為30℃；因此微生物驅(qū)動(dòng)的硫鐵礦自養(yǎng)反硝化通常在室溫條件下發(fā)生。蒲驕陽(yáng)[51]發(fā)現(xiàn)當(dāng)運(yùn)行溫度從30℃下降為20℃時(shí)，硫鐵礦反硝化系統(tǒng)的硝酸鹽去除率從99%下降至50%，且亞硝酸鹽含量明顯上升。Li 等[16]發(fā)現(xiàn)FeS 介導(dǎo)的反硝化作用可以在10～35℃范圍內(nèi)發(fā)生，然而系統(tǒng)在5℃時(shí)幾乎不發(fā)生任何反硝化作用。Xu 等[52]發(fā)現(xiàn)黃鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)的NO-3-N 去除速率隨著溫度的降低而逐漸下降；其中，當(dāng)溫度從20℃下降到10℃時(shí)，NO-3-N 去除率從49.2%下降到15.2%。由此可見，過低的溫度會(huì)抑制硫鐵礦介導(dǎo)的自養(yǎng)反硝化效能，如何在低溫條件下提升該系統(tǒng)的脫氮除磷效能還值得探究。

3 硫鐵礦自養(yǎng)反硝化技術(shù)的生物機(jī)制

3.1 硫鐵礦自養(yǎng)反硝化功能菌

研究表明硫氧化反硝化菌和亞鐵氧化反硝化菌是驅(qū)動(dòng)硫鐵礦介導(dǎo)的自養(yǎng)反硝化過程的關(guān)鍵功能微生物[9,20,32]。目前典型的硫氧化反硝化菌主要包括脫氮硫桿菌（Thiobacillus denitrificans，T.denitrificans）、脫氮硫單胞菌（Sulfurimonas denitrificans，S.denitrificans）等[53]；常見的鐵氧化反硝化菌主要包括微桿菌屬（Microbacteriumsp）[54]、氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillus ferrooxidans）[55]、氧化亞鐵假單胞菌（Pseudogulbenkiania ferrooxidans）[56]、腸桿菌（Enterobactersp.CC76）[57]、食酸菌（Acidovorax sp）[58]等。

目前硫鐵礦自養(yǎng)反硝化技術(shù)中優(yōu)勢(shì)自養(yǎng)反硝化菌種多鑒定為硫氧化菌，其中以T.denitrificans為主。2006 年Haaijer 等[59]在富含硫鐵礦的天然生態(tài)系統(tǒng)中分離出β變形桿菌群Thiobacilli，并發(fā)現(xiàn)其可以在缺氧環(huán)境中氧化FeSx并耦合硝酸鹽還原。Torrentó 等[60]和Bosch 等[61]分別證實(shí)了T.denitrificans可以硝酸鹽為電子受體驅(qū)動(dòng)納米級(jí)黃鐵礦或純黃鐵礦的生物氧化。周翔等[62]發(fā)現(xiàn)T.denitrificans可以FeS 為電子供體進(jìn)行反硝化。朱良等[63]證實(shí)水熱法合成的FeS2粉末也可以作為硫自養(yǎng)厭氧反硝化污泥系統(tǒng)的電子供體，其中優(yōu)勢(shì)菌屬為T.denitrificans。此外，S.denitrificans也是硫鐵礦介導(dǎo)的自養(yǎng)反硝化體系的優(yōu)勢(shì)菌屬，其可在中性條件下利用無機(jī)硫化物和硫代硫酸鹽作為電子供體[64]。劉斌等[65]發(fā)現(xiàn)黃鐵礦生物濾池主要功能微生物除T.denitrificans（相對(duì)豐度27.6%）外，S.denitrificans（相對(duì)豐度11.8%）也占主要優(yōu)勢(shì)。Li 等[46]發(fā)現(xiàn)磁黃鐵礦自養(yǎng)反硝化生物濾池處理缺碳廢水時(shí)，系統(tǒng)中最優(yōu)勢(shì)菌種為S.denitrificans，其相對(duì)豐度高達(dá)68.05%。綜上所述，T.denitrificans和S.denitrificans等硫氧化反硝化菌屬在該體系中發(fā)揮重要作用。

除了硫氧化反硝化菌，亞鐵氧化反硝化菌被證實(shí)也可以利用硫鐵礦進(jìn)行反硝化。研究者發(fā)現(xiàn)硝酸鹽還原依賴亞鐵氧化菌大多數(shù)不是專性自養(yǎng)生物，需要額外的有機(jī)碳作為能源進(jìn)行持續(xù)生長(zhǎng)[55-66]，并多屬于嘉利翁氏菌科（Gallionellaceae）、嗜酸菌屬（Acidovoraxsp）、花生根瘤菌屬（Bradyrhizobiumsp）以及諾卡氏菌屬（Nocardioidessp）[67]等。同時(shí)，假單胞菌屬（Pseudogulbenkianiasp）、氧化亞鐵副球菌（Paracoccus ferrooxidans） 和弗氏檸檬酸桿菌（Citrobacter freundii）已被證明兼具亞鐵氧化和硝酸鹽還原的能力[68]。目前上述典型的硝酸鹽還原依賴亞鐵氧化細(xì)菌并未在硫鐵礦介導(dǎo)的反硝化體系中得到鑒定；同時(shí)，受限于微生物學(xué)的發(fā)展，尚有部分硝酸鹽還原依賴的亞鐵氧化菌處于富集混合培養(yǎng)而未分離或未鑒定完整種屬階段。然而，Senko等[69]分離出了硝酸鹽還原依賴亞鐵氧化細(xì)菌（命名為FW33AN），并證實(shí)其可以驅(qū)動(dòng)FeS 氧化協(xié)同硝酸鹽還原。Jakus 等[48]從富含黃鐵礦的石灰含水層中富集培養(yǎng)了自養(yǎng)型硝酸鹽還原依賴的亞鐵氧化菌群，16S rRNA 基因測(cè)序表明其歸屬Gallionellaceae科；同時(shí)證實(shí)其可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)硝態(tài)氮的還原和Fe(Ⅱ)的氧化，NO-3-N/Fe(Ⅱ)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)約為0.2。上述研究進(jìn)一步說明了硝酸鹽還原依賴亞鐵氧化細(xì)菌可以驅(qū)動(dòng)硫鐵礦的生物氧化，有助于推動(dòng)對(duì)硫鐵礦自養(yǎng)反硝化體系微生物群落結(jié)構(gòu)的全面認(rèn)識(shí)。

3.2 硫鐵礦介導(dǎo)自養(yǎng)反硝化的原理

由上述研究可知，硫鐵礦介導(dǎo)的自養(yǎng)反硝化是通過“生物驅(qū)動(dòng)反硝化-非生物化學(xué)除磷”雙重途徑協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)氮磷的同步去除。以黃鐵礦為例，當(dāng)其作為電子供體時(shí)，總反硝化反應(yīng)方程式如式(1)所示?？傮w而言，該過程可能還涉及殘存硫單質(zhì)自養(yǎng)反硝化[式(2)]、鐵化學(xué)除磷[式(3)和式(4)]等[4,70-71]。

盡管黃鐵礦自養(yǎng)反硝化是一個(gè)熱力學(xué)自發(fā)過程（ΔGo'=-2439kJ/mol），但是該反應(yīng)只能在微生物催化作用下發(fā)生，且動(dòng)力學(xué)比較緩慢[72]。目前研究雖然證實(shí)了微生物可以驅(qū)動(dòng)硫鐵礦介導(dǎo)的反硝化作用，但其微觀機(jī)制仍不清楚，比如不溶性硫鐵礦與微生物的初始反應(yīng)是如何發(fā)生的。目前部分研究認(rèn)為硫鐵礦受到酸性溶解或氧化攻擊后，F(xiàn)e和S之間的鍵被裂解，釋放出Fe2+和S2-2，之后Fe2+被迅速氧化成Fe3+并在中性pH 下生成鐵（氫）氧化物，S2-2被氧化生成各種無機(jī)硫中間體（如S2O2-3等）最終被氧化成SO2-4[73]。其中，對(duì)于黃鐵礦而言，其表面的S—S 鍵比Fe—S 鍵弱，S—S 更先斷裂，故而硫元素先被氧化生成SO2-3、S2O2-3等并最終轉(zhuǎn)化為SO2-4；鐵則主要以氧化物或者氫氧化物形式穩(wěn)定存在[74]。部分研究認(rèn)為微生物與礦物的相互作用可由胞外聚合物中酶（如鐵氧化酶MtoA和細(xì)胞色素c等）驅(qū)動(dòng)[75]；Pang等[32]研究發(fā)現(xiàn)在黃鐵礦自養(yǎng)反硝化過程中，參與電子穿梭體生物合成的menC/E/G等基因得到顯著富集，認(rèn)為微生物衍生的電子穿梭體是黃鐵礦氧化的第一步。同時(shí)，F(xiàn)e3+、鐵（氫）氧化物等中間產(chǎn)物通過沉淀吸附作用則可以同步去除PO3-4-P[76-77]；此外，部分含鐵沉淀物有可能通過胞外聚合物中的金屬結(jié)合位點(diǎn)沉淀至生物膜。綜上所述，硫鐵礦介導(dǎo)的自養(yǎng)反硝化同步脫氮除磷潛在原理見圖1。

圖1 硫鐵礦自養(yǎng)反硝化同步脫氮除磷的潛在機(jī)制

4 技術(shù)的關(guān)鍵難點(diǎn)

4.1 硫鐵礦的生物利用性

由于微生物無法將硫鐵礦固體顆粒直接攝入到細(xì)胞中，硫鐵礦界面的電子直接轉(zhuǎn)移和溶解是被生物利用的潛在途徑[3]。在生物浸出過程中，根據(jù)硫鐵礦物的電子結(jié)構(gòu)，存在酸性溶解和氧化溶解兩種溶解途徑。其中，價(jià)帶來源于鐵和硫化物原子軌道的硫鐵礦物（如FeS、Fe3S4、Fe1-xS、Fe7S8等）通常是酸溶性的，即容易受到質(zhì)子攻擊而產(chǎn)生溶解生成Fe2+和H2S[78]，這也與較低pH 下產(chǎn)生的高反硝化速率一致。然而，與單硫化物有所不同，黃鐵礦具有高度結(jié)晶性，其價(jià)帶完全來源于其金屬軌道，導(dǎo)致晶體對(duì)酸性或質(zhì)子促溶作用呈現(xiàn)惰性，這與黃鐵礦的生物利用性低于FeS 存在關(guān)聯(lián)[79]。由此可知，相較于其他硫鐵礦，黃鐵礦的生物利用性則主要取決于直接電子轉(zhuǎn)移或氧化劑溶解。在黃鐵礦自養(yǎng)反硝化過程中，200mV 左右是黃鐵礦轉(zhuǎn)化為生物可利用有效形態(tài)的電化學(xué)閾值。從熱力學(xué)角度來看，中性條件下微生物中細(xì)胞色素a、c和d是可以氧化黃鐵礦的，即為微生物-礦物的直接電子轉(zhuǎn)移；但是這種直接作用是建立在微生物和礦物的接觸基礎(chǔ)上，意味著與礦物界面可用性有很大關(guān)系。同時(shí)，研究證實(shí)Fe3+作為強(qiáng)氧化劑，可與硫鐵礦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)加速其溶解；Moses等[80]發(fā)現(xiàn)相較于O2，F(xiàn)e3+對(duì)黃鐵礦的溶解速率高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。Liu 等[81]也證實(shí)了有機(jī)配體EDTA 的添加通過形成Fe3+-EDTA 配合物，可以顯著加速黃鐵礦氧化并提升其反硝化性能。綜上所述，硫鐵礦的結(jié)晶度、反應(yīng)pH、界面可用性、氧化劑（如Fe3+等）以及非還原有機(jī)配體都是影響硫鐵礦生物利用性的重要因素。

4.2 鐵沉積物的抑制作用

亞微米級(jí)高價(jià)態(tài)鐵產(chǎn)物在基質(zhì)及微生物界面沉積聚集形成鐵鈍化膜，導(dǎo)致硫鐵電子轉(zhuǎn)移和氮磷物質(zhì)傳輸受阻，進(jìn)而可能誘發(fā)微生物活性惡化。一方面，通過化學(xué)氧化途徑生成的鐵氧化物和磷酸鐵等高價(jià)態(tài)鐵產(chǎn)物會(huì)沉積在黃鐵礦表面，限制甚至阻止反硝化菌和黃鐵礦的直接接觸，從而阻止硫鐵電子從礦物轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外膜蛋白Cytc2 或鐵氧化酶MtoA[75]。另一方面，通過亞鐵胞外生物氧化（主要途徑）和亞鐵胞內(nèi)化學(xué)氧化途徑形成的高價(jià)態(tài)鐵礦物微粒，會(huì)在胞外和周質(zhì)空間等氧化位點(diǎn)聚集形成結(jié)殼現(xiàn)象[14,82-83]，阻礙物質(zhì)的傳輸和代謝，導(dǎo)致微生物活性降低而誘發(fā)系統(tǒng)惡化?；瘜W(xué)納米成像顯示微生物分泌的黏液基質(zhì)-胞外聚合物（EPS）在控制細(xì)胞高價(jià)態(tài)鐵礦物微粒的賦存形態(tài)起主導(dǎo)作用[84]，且EPS中多糖為高價(jià)態(tài)鐵礦物微粒的潛在成核沉淀位點(diǎn)[85]。相關(guān)研究進(jìn)一步證實(shí)EPS 中腐殖質(zhì)、羧基、巰基、胺基以及膦基等金屬吸附位點(diǎn)會(huì)與高價(jià)態(tài)鐵礦物微粒緊密結(jié)合形成復(fù)合物[86]。因此，如何調(diào)控界面高價(jià)態(tài)鐵沉積物鈍化問題是實(shí)現(xiàn)硫鐵礦同步脫氮除磷長(zhǎng)效運(yùn)行面臨的難點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)配體絡(luò)合法可以去除細(xì)胞鐵結(jié)殼物[84,87]，進(jìn)而恢復(fù)微生物新陳代謝，說明細(xì)胞鐵結(jié)殼現(xiàn)象屬于可逆的抑制作用。有機(jī)配體與黃鐵礦氧化產(chǎn)生的Fe3+相互作用形成較強(qiáng)的絡(luò)合物，不僅可以干擾（氫）氧化鐵的晶體結(jié)構(gòu)、表面電荷和電勢(shì)等以阻止鐵（氫）氧化物的沉淀，而且降低了Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)循環(huán)的氧化還原電位。Liang等[88]發(fā)現(xiàn)天然有機(jī)物（絡(luò)合物）可以穩(wěn)定地下水中Fe(Ⅱ)濃度并增加Fe(Ⅲ)濃度，說明有機(jī)配體通過增溶Fe3+進(jìn)而阻止鐵（氫）氧化物形成上有一定的積極作用。其次，研究表明利用微超聲波可以促進(jìn)厭氧氨氧化菌和硝酸鹽還原依賴的亞鐵氧化細(xì)菌等微生物細(xì)胞附著的金屬物質(zhì)解吸，實(shí)現(xiàn)微生物與金屬物質(zhì)的分離[86,89]，從而解除金屬物質(zhì)包裹的抑制作用而恢復(fù)微生物的活性。此外，具有鐵還原能力的菌種能夠以Fe(Ⅲ)礦物為電子受體將高價(jià)態(tài)鐵沉淀物溶解為Fe(Ⅱ)，從而減緩或消除鐵鈍化膜的生成。近期研究也發(fā)現(xiàn)Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)循環(huán)可通過由NO-2-N 誘導(dǎo)的Fe(Ⅱ)氧化和NH+4-N 誘導(dǎo)的Fe(Ⅲ)還原，推動(dòng)總氮的去除[90]。由此推斷，如果向該系統(tǒng)提供外部電子受體（如氨），F(xiàn)e(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)循環(huán)將得到極大的促進(jìn)，這不僅可以減輕鐵沉積物鈍化問題，還可以提高總氮的去除率。綜上所述，硫鐵礦自養(yǎng)反硝化中鐵沉積物鈍化問題仍需要進(jìn)一步深度探究。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

硫鐵礦介導(dǎo)自養(yǎng)反硝化具有節(jié)省外加有機(jī)碳源、同步脫氮除磷、且減少污泥產(chǎn)量和CO2排放量等優(yōu)勢(shì)，是一種經(jīng)濟(jì)、高效和綠色的脫氮技術(shù)。目前基于硫鐵礦的各類生物處理技術(shù)已證實(shí)可以高效處理城鎮(zhèn)廢水、地下水以及雨水等，在低碳廢水處理領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用前景。然而，目前研究多聚焦于該技術(shù)的脫氮除磷性能、運(yùn)行參數(shù)以及微生物群落結(jié)構(gòu)等；而對(duì)硫鐵礦介導(dǎo)自養(yǎng)反硝化的微觀生物機(jī)制研究較少，硫鐵礦生物氧化與反硝化耦合過程中的電子傳遞機(jī)制仍不清楚。同時(shí)，結(jié)合該技術(shù)的發(fā)展難點(diǎn)，該技術(shù)未來的研究方向與發(fā)展重點(diǎn)應(yīng)包括：①繼續(xù)深入探究硫鐵礦介導(dǎo)反硝化的微生物機(jī)制，尤其是微生物胞外聚合物中細(xì)胞色素c等電子穿梭體；②如何增強(qiáng)硫鐵礦的生物可利用性；③如何解除硫鐵礦基質(zhì)和生物膜界面鐵沉積物的抑制作用。