硫酸盐还原是自然和工程环境中关键的厌氧呼吸过程，对硫循环、金属固定、碱度生成以及富含硫酸盐系统的氧化还原演变具有重要调控作用[1]。特别是在受采矿影响的环境中，硫酸盐还原微生物尤为重要，因为它们可以将硫酸盐转化为硫化物，消耗酸性物质，并促进溶解金属以难溶硫化物的形式沉淀，从而为酸性废物和含硫酸盐废水的处理提供了有前景的途径[2]。因此，硫酸盐还原微生物组被广泛认为是处理酸性矿井排水、矿渣渗滤液和其他含硫废水的重要生物资源[3]。
尽管具有这种潜力，但由于长期以来的假设认为高效硫酸盐还原需要严格厌氧条件和典型的硫酸盐还原细菌的优势，实际应用硫酸盐还原群落常常受到限制[4]。然而，在许多现实系统中，氧气侵入难以避免。煤矸石堆、浅层沉积物、废物储存库和处理反应器通常会经历氧化还原条件的波动、间歇性曝气以及微尺度的氧化-还原界面[5]。越来越多的证据表明，这些环境中的硫循环并非仅由典型的硫酸盐还原菌控制，而是由代谢多样的群落共同作用，其中典型和非典型分类单元通过交叉喂养、氧化还原缓冲和中间硫转化共同影响硫的转化[6]。这种更广泛的生态观点意味着，在微好氧条件下发生的硫酸盐还原可以更好地理解为群落层面的涌现特性，而不仅仅是单一系统发育类群的功能[7]。
另一个重要的复杂性在于，硫酸盐还原很少是简单的从硫酸盐到硫化物的单向转化。实际上，微生物的硫代谢通常涉及多种中间体，包括亚硫酸盐、硫代硫酸盐、多硫化物和零价硫，其产生和转化反映了电子转移的深度、方向和效率[8]。最近的研究表明，在异化硫代谢过程中，硫中间体可以被主动生成和循环利用，即使在以硫酸盐还原为主的系统中，硫氧化还原网络也可能保持动态[9]。因此，仅评估末端硫化物的产生可能会忽略关于电子如何分配以及在非理想环境条件下硫酸盐还原性能如何稳定的关键机制信息[10]。
同时，硫酸盐还原群落的性能不仅受硫代谢本身的影响，还受微生物相互作用发生的物理化学和结构环境的影响。碳供体供应、pH值、氧化还原电位和铁的可用性都已知会影响硫酸盐还原活性，但这些因素可能主要是通过群落层面的组织作用而非直接的热力学效应来发挥作用的[11]。特别是，细胞外聚合物（EPS）、胶体稳定性和聚集体结构可能强烈影响细胞间的接近程度、底物扩散、矿物成核和局部电子转移，从而调节硫还原功能的表达[12]。然而，这些结构因素在当前的硫酸盐还原机制模型中整合得还不够充分，尤其是在微好氧条件下[13]。同样，高性能群落中硫激活、硫同化、中间硫转化和非典型优势分类单元的各自作用也尚未得到充分研究[14]。
这些知识空白对于基于煤炭的固体废物和富含硫酸盐的采矿环境的生物修复尤为重要，在这些环境中，氧气波动、异质底物和复杂的Fe–S相互作用是普遍存在的特征[15]。在这种条件下，关键的科学问题不再是硫酸盐还原是否能够发生，而是哪些因素决定了硫酸盐还原群落在微好氧压力下是否能够高效、结构稳定和功能协调[16]。要回答这个问题，需要将时间性能动态与硫价特征、EPS化学性质、胶体组织、群落结构和硫代谢遗传潜力联系起来，在一个统一的分析框架内进行探讨[17]。
在本研究中，我们在微好氧条件下富集了八种天然微生物群落，并系统地比较了它们的硫酸盐还原性能、物理化学轨迹、生物沉淀物、EPS特性、胶体性质、群落组成、共现模式和硫代谢潜力。我们的目标是确定促进硫酸盐还原的关键驱动因素，并阐明这些因素如何与微生物群落组织和硫处理机制耦合。我们假设，在微好氧条件下的高硫酸盐还原性能不能仅通过典型硫酸盐还原菌的富集来解释，而是源于生物量积累、氧化还原缓冲、紧凑聚集体组织、硫激活/转运和中间硫转化的协调优化。通过将功能性能与分类学、地球化学和分子证据相结合，本研究旨在为理解并在氧气波动环境中设计硫酸盐还原微生物组提供更机制化的框架。
