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氯代烃和硝酸盐为地下水中典型的有机和无机污染物,可在地下水中稳定、持久地共存,尤其是两者在化工污染场地地下水中高浓度的共存污染,已成为世界范围内亟待解决的环境问题。地下水环境中难以持续为生物过程提供电子以及反硝化与还原脱氯过程的相互竞争为地下水生物脱氮脱氯面临的主要问题。本研究基于电极和单质硫作为电子供体还原污染物的特征,利用生物阴极实现了典型氯代烃的高效还原脱氯,探讨了阴极脱氯生物膜菌群结构和功能基因对操作条件改变的响应机制。为了减小硝酸盐对生物阴极还原脱氯的抑制作用,构建了硫自养反硝化(SAD)与生物阴极脱氯(BES)的耦合系统(SAD-BES),实现了生物阴极中硝酸盐的加速去除和系统的酸碱自平衡。进一步在氯代烃和硝酸盐共存条件下,明确了硫自养反硝化的引入对生物阴极还原脱氯的促进作用,解析了潜在功能菌属丰度的变化,揭示了硫自养反硝化耦合生物阴极脱氯促进硝酸盐和氯代烃去除机制。研究了电位调控和碳源对生物阴极还原脱氯的影响。生物阴极还原四氯乙烯(PCE)、三氯乙烯(TCE)和1,2-二氯乙烷(1,2-DCA)均符合准一级反应动力学,PCE和TCE的主要脱氯产物为顺式-1,2-二氯乙烯(cis-DCE),1,2-DCA的脱氯产物为乙烯。阴极电位过高(-0.06 V)会导致电子供体缺乏,而电位过低(-0.46 V和-0.66 V)可能会导致阴极产氢,均会限制还原脱氯效率。阴极电位为-0.26 V时,三种氯代烃24 h去除率均大于99%。减小阴极电位至-0.26 V有利于电活性菌和脱氯呼吸菌的富集,同时也促进了还原脱氯和胞外电子传递基因的表达。PCE和TCE还原过程中,Bacillus、Pseudomonas和Desulfovibrio为主要功能菌属,还原脱氯基因pce A和tce A高度表达。而1,2-DCA的还原过程中,Geobacter和Desulfobulbus为主要功能菌属,还原脱氯基因rhd A1和tce A高度表达。以葡萄糖、乙酸钠和碳酸氢钠为碳源的条件下,PCE脱氯阴极生物膜中优势菌属分别为Lactococcus、Geobacter和Bacillus。相比无机碳源,有机碳源更有利于还原脱氯和电活性基因的富集,进而促进阴极生物膜脱氯呼吸作用。添加无机碳源时,电极作为唯一电子供体能在24 h内去除50%以上的氯代烃。研究发现,当阴极为唯一电子供体时,反硝化会严重抑制还原脱氯过程,导致PCE的12 h去除率和速率常数k值分别降低70%和82%以上。因此,研究了在生物阴极中引入硫自养反硝化加速硝酸盐去除,结果表明SAD-BES耦合系统在优化电压0.5 V下可维持系统的酸碱自平衡(pH值7.05-7.49),同时在12 h内实现了硝酸盐的完全去除,其硝酸盐去除速率常数k值分别为单独BES和SAD系统的4.7和2.4倍。单质硫为反硝化的主要电子供体(75.3%-83.1%),硫酸盐产率为5.67-6.26 mg/mg NO3--N。硫颗粒生物膜中的反硝化菌属以Pseudomonas、Ralstonia和Brevundimonas为主,阴极生物膜中的反硝化菌属以Pseudomonas、Chryseobacterium、Pantoea和Comamonas为主。单质硫的引入实现了硝酸盐的高效去除,为同步脱氮脱氯的前提。模拟硝酸盐和PCE共存的污染条件,发现耦合系统在优化电位0.5 V下,硝酸盐12 h去除率可达到95.9%,PCE的48 h去除率可达到87.2%。仅以阴极为电子供体,阴极生物膜中反硝化菌属(Thauera、Azoarcus、Comamonas等)占据主导地位。引入单质硫加速阴极中硝酸盐的去除,减小了阴极还原脱氯和反硝化过程对电极电子的竞争强度和周期,进而促进了还原脱氯效能。同时显著提高了阴极生物膜中兼具还原脱氯和反硝化功能的菌属(Pseudomonas、Chryseobacterium、Desulfovibrio、Mesorhizobium、Geobacter等)的丰度,且在反应中后期生物阴极以还原脱氯过程为优势代谢过程。硫颗粒表面生物膜富集了可利用单质硫为电子供体的反硝化菌属(Arcobacter、Pseudomonas、Azospira等)。微生物生态网络分析表明,未有明确电活性的菌属与阴极生物膜中优势功能菌属呈正相关性,可能通过相互协作完成脱氮脱氯。硫颗粒生物膜中无法利用单质硫为电子供体的菌属与优势菌属Arcobacter呈正相关性,该部分菌属可能利用硫自养反硝化菌产生的代谢产物而生存。本研究提出了硫自养反硝化耦合生物阴极脱氯高效去除硝酸盐和氯代烃的方法,为地下水硝酸盐和氯代烃共存污染的生物强化修复提供了新的思路。