地下水作为全球重要的淡水资源，对人类生活与农业生产至关重要。但地下水中高浓度硝酸盐污染给饮用水安全带来了严峻挑战，尤其对婴幼儿和牲畜健康构成威胁。近年来，基于黄铁矿的自养脱氮技术因其环境友好和成本效益突出，逐渐成为治理硝酸盐污染的研究热点。黄铁矿作为一种丰富的铁硫矿物，通过微生物介导的氧化反应为硝酸盐还原提供电子，完成脱氮反应，且过程稳定、不需外加有机碳源，体现出明显的生态优势。黄铁矿与硝酸盐的反应可用简化的化学方程式表达：两摩尔黄铁矿与六摩尔硝酸根离子在水中反应，生成硫酸盐、氮气、氢氧化铁和质子。这一过程不仅清除有害硝酸盐，还通过硫氧化释放硫酸盐，维持系统稳定。
然而过去对该技术的应用仍面临硝酸盐去除速率偏低、自养硝酸盐还原菌生长缓慢以及副产物硫酸盐可能导致的二次污染等问题。此外，自养脱氮系统启动期较长，也成为实际应用中的障碍。为了克服这些限制，最新科研进展着眼于有机共基质对系统的影响。现实环境中，水体与土壤中常不可避免地含有一定浓度的天然有机物，这些有机物或作为混合电子受体影响自养微生物的生存与代谢。近期研究发现，低浓度（6-48毫克每升）的有机共基质如乙酸盐的初始添加，可显著提高黄铁矿驱动的自养脱氮效率。其实验结果表明，初次加入微量有机碳，既刺激了利用乙酸的异养反硝化菌活性，也未明显抑制自养硫氧化细菌功能，在协同作用下提高整体硝酸盐去除率。
当有机碳浓度为96毫克每升以上时，异养反硝化菌获得优先硝酸盐利用权，且乙酸盐过量可能引发毒性效应，导致黄铁矿基自养脱氮过程被明显抑制。微生物群落结构分析揭示，纯粹利用黄铁矿作为电子供体的系统中，硫氧化自养脱氮菌属如硫细菌Thiobacillus占主导地位，而低浓度有机共基质的加入则导致种群多样性显著改变。共同作用下，诸如Aquabacterium、Chryseobacterium、Bdellovibrio、Lysobacter等异养与混合营养型菌群成为优势种，这些细菌或参与复合有机污染物降解，或兼具反硝化功能，促进系统生态稳定。实验结果进一步指出，系统pH值随有机碳浓度变化表现出特定的波动模式，低浓度组在脱氮过程中呈现先升后降趋势，反映出异养与自养过程的动力学耦合。此外，副产物硫酸盐浓度随硝酸盐去除进程稳定上升，说明黄铁矿的氧化与溶解持续发生且未被过度抑制。水环境工程应用中，利用黄铁矿自养脱氮技术尤其适合缺乏有机碳源的地下水体改良，而适量有机共基质的优化添加为反应效率和微生物活性提供了新的调控途径。
未来研究方向将关注反应器规模化应用及体系内的电子传递机制，特别是微生物产生的电子穿梭分子如何促进矿物氧化过程，从而提升脱氮反应整体性能。此外，优化颗粒粒径、反应温度以及剂量控制也将是提升系统效率的关键。综上所述，黄铁矿基自养脱氮系统结合低浓度有机共基质，不仅实现了硝酸盐的高效去除，还促进了微生物群落的多样化与稳定性，为地表和地下水治理提供了兼备环保与经济效益的创新策略。这一技术的深入发展与应用，预示着未来水资源安全保障和生态环境修复的广阔前景。
