综述：硫酸盐还原菌在土壤和地下水生物修复中的潜在应用、作用机制及影响因素：综述

《Applied Soil Ecology》：Potential applications, mechanisms and influencing factors of sulfate-reducing bacteria in soil and groundwater bioremediation: A review

硫酸盐还原菌（SRB）作为生物修复技术的重要工具，其多样性、代谢机制及在复合污染地下水治理中的应用被系统综述。研究指出SRB通过硫酸盐还原降低污染负荷，形成金属硫化物沉淀，兼具环境友好性与成本优势，但面临产硫化氢毒性、环境适应性及工程化瓶颈问题。未来需强化其在硫酸盐-有机物共污场地及次生污染防控中的实践探索。

　　

陈勇|王Sunyin|顾军|詹满军|余然

中国江苏省南京市东南大学能源与环境学院环境科学与工程系，邮编211189

摘要

由于工业排放、农业活动和自然过程，地下水中硫酸盐的积累不断增加，这引发了严重的生态和健康问题。微生物生物修复技术具有显著的优势，包括环境相容性、可持续降解污染物的能力、对生态系统的影响最小以及低成本。硫酸盐还原菌（SRB）以其代谢多样性和环境适应性而受到关注，已成为修复不仅含有硫酸盐还含有多种污染物（如碳氢化合物和氯化有机物）的复杂环境的有希望的工具。本文总结了目前关于SRB多样性、分布和代谢活动的知识，批判性地分析了影响其生物修复效率的关键因素、相应的监管策略，并探讨了它们在土壤和地下水中的应用以及潜在挑战。特别关注了SRB在同时受有机污染物和硫酸盐污染的场地中的应用、减少现场化学处理引起的二次污染，以及调控硫转化以进行目标生产或资源回收。同时，本文还讨论了加速该领域研究和实际应用的关键优先事项。

引言

经济的持续发展和人口的快速增长加剧了各种工业和农业活动。近年来，在自然过程和人类活动的共同作用下，大量硫酸盐被排放到环境中。据估计，人为来源贡献了总硫酸盐输入量的大约50-80%，主要来自工业排放、农业中含硫肥料的使用以及采矿活动中硫化物矿物的氧化（Sharma和Kumar，2020；Xin等人，2023；Zhang等人，2024a）。此外，残留的土壤化学修复剂也会导致地下水中硫酸盐浓度升高。例如，使用过硫酸盐修复有机污染的地下水可能导致地下水中硫酸盐浓度保持高水平（McGachy和Sedlak，2023），或者使用多硫化钙进行重金属生物修复可能会向土壤中引入大量硫（Hu等人，2021）。残留的化学剂可以在短时间内迅速增加地下水中硫酸盐的浓度，从而威胁生态环境。另一方面，自然过程也会导致地下水中硫酸盐浓度升高，包括海水通过潮汐和风暴潮侵入沿海土壤、地质变化驱动的含硫矿物氧化，以及气候变化引起的硫酸盐积累和分布的变化（Fanning等人，2017；Ling和Moreau，2020；Xiao等人，2024）。其中，由海水运动引起的硫酸盐积累在沿海湿地和红树林地区受到了特别关注（Chen等人，2016；Nath等人，2013）。地下水中高浓度的硫酸盐可能导致人类肠道疾病和神经损伤，腐蚀基础设施，促进砷的释放，并对生态系统构成严重威胁（Nghiem等人，2023；Sun等人，2017）。全球范围内普遍发现地下水中硫酸盐浓度过高（通常超过250毫克/升）（Xiao等人，2024）。因此，迫切需要有效的技术来解决地下水中的硫酸盐污染问题。

目前，已经开发出几种处理土壤和地下水中硫酸盐污染的技术。例如，传统方法包括抽取地下水，然后采用膜处理、化学沉淀、吸附和离子交换等技术去除硫酸盐，或者采用物理化学方法如土壤置换、热脱附和土壤冲洗（Hamby，1996；Khan等人，2004）。然而，这些方法往往存在建设成本高、膜污染严重和过程复杂等局限性。此外，还开发了一些植物修复方法，如种植树木或草来去除土壤中的高浓度硫酸盐，但这些方法通常需要较长的时间（Wei等人，2021a）。与上述方法相比，微生物生物修复技术成本更低且操作更简单，其中硫酸盐还原菌（SRB）在土壤硫循环和硫酸盐还原中起着关键作用（Chaudhary等人，2023；Zhang等人，2022）。由于SRB能够去除硫酸盐并形成金属硫化物沉淀物，同时具有环境友好性和很强的适应性（Dong等人，2023；Serrano等人，2020；Yang等人，2024a），它们可以有效地修复硫酸盐污染。然而，SRB技术也面临一些挑战，包括产生有毒的硫化氢、对复杂环境条件的适应性有限，以及初始探索和实施阶段的成本相对较高（Serrano等人，2020）。此外，仍存在一些关键知识空白，包括SRB菌株和群落在现场条件下的长期稳定性、土壤和含水层中的氧化还原异质性对SRB活性的限制、与其他厌氧功能群（如产甲烷菌）的竞争结果，以及在原位提供和维持合适电子供体的实际挑战（Fang等人，2024；Romantschuk等人，2023）。尽管存在这些局限性，但它们的环境友好性和潜在的成本效益使SRB成为修复受污染土壤和地下水的有希望的方法。

在过去几十年中，关于SRB的研究主要集中在酸性矿井排水修复、基础设施腐蚀和微生物特性方面（Jiang等人，2024；Zeng等人，2019）。近年来，SRB的应用已扩展到先进的废水处理过程和水净化生物反应器（Zhang等人，2022）。同时，人们对地下水中硫酸盐污染的关注也在增加，有几项研究总结了针对这种特定污染的修复方法（Sharma和Kumar，2020；Xiao等人，2024）。然而，尚无综合性的综述专门讨论基于SRB的土壤和地下水中硫酸盐污染的生物修复。因此，本文通过将SRB的代谢机制与其在土壤和地下水系统中的实际应用联系起来，提供了独特的贡献。它综合了当前关于如何优化SRB以在富含硫酸盐或同时受硫酸盐污染的环境中进行可靠和可扩展的现场修复的知识，从而为SRB基生物修复技术未来的发展提供了潜在的应用前景和关键见解。

部分摘录

硫酸盐还原菌

硫酸盐还原菌（SRB）是一类广泛分布于各种环境中的厌氧或兼性厌氧原核微生物（Diao等人，2023）。这一群体最早由Beijerinck在1895年发现，至今已鉴定出60多个属和220多个物种。这些微生物主要分布在至少19个细菌门和两个古菌门中（Hussain等人，2016）。根据代谢特性，SRB被分为自养型和

SRB在土壤和地下水生物修复中的潜在应用

尽管已有大量关于SRB用于处理地表水、烟气脱硫（FGD）废水和采矿废水的研究，并在这些领域建立了成熟的治疗系统，但关于SRB在土壤和地下水中的应用的研究相对有限。然而，鉴于SRB多样的代谢途径和强大的环境适应性，它们在土壤和地下水生物修复中具有巨大的潜力

结论

SRB凭借其独特的双重代谢机制，在土壤和地下水的生态生物修复方面显示出巨大的潜力。因此，广泛探索SRB在这些环境中的分布、代谢活动及其影响因素具有实际意义。针对当前土壤和地下水的污染状况，本文提出了SRB在可持续、低碳等方面的应用前景

CRediT作者贡献声明

陈勇：撰写——综述与编辑，撰写——初稿，方法学。王Sunyin：资源获取，调查。顾军：监督，项目管理。詹满军：监督，项目管理。余然：监督，调查，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFC3709600）和江苏地质工程环境智能监测工程研究中心开放研究基金计划（项目编号2023-ZNJKJJ-01）的支持。