硫酸盐还原菌在环境中的应用

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1、 内容硫酸盐还原菌简介 硫酸盐还原菌还原SO42-过程 硫酸盐还原菌的应用硫酸盐还原菌 硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacteria,简称 SRB)是一类形态各异、营养类型多样、能利用硫酸盐或 者其他氧化态硫化物作为电子受体来异化有机物质的厌 氧微生物，常见属有脱硫弧菌属( Desu lfovibr io ) 、脱 硫肠状菌属( Desul f otomaculum)。因其参与自然界中 的多种反应，所以愈来愈多地得到人们的关注。自然界中最常见的 SRB 是嗜温的革兰氏阴性、 不产芽 孢的类型。在淡水及其他含盐量较低的环境中, 易分离 到革兰氏阳性、 产芽孢的菌株。 此外,在

2、自然界中存 在的还有革兰氏阴性嗜热真细菌、 革兰氏阴性古细菌 。 SRB 分布广泛， 可以存在于土壤、 水稻田、 海水、 盐水、 自来水、 温泉水、 地热地区、油井和天然气 井、含硫沉积物、河底污泥、 污水、 绵羊瘤胃、 动 物肠道等，还可以从一些受污染的环境中检测到它的 存在，如厌氧的污水处理厂废物, 被污染的食品中。基本生长条件温度：SRB 可以在-575条件下生存，并能很快适 应新的温度环境， 某些种可以在-5以下生长，具有 芽孢的种可以耐受 80 的高温。 PH：可在 pH 为 5 9. 5的范围内生存， 最适 pH 值为 7. 0 7. 8。 盐分：在一些高盐的生态环境中，也能检测到

3、它们的 存在， 如盐湖、 死海等。 在实验室中分离到的嗜盐 菌多数是轻度嗜盐菌( 适宜盐度范围为 1% 4%) ，分 离到中度嗜盐菌的报道不多。 Eh : 其生长要求 Eh 低于- 150 mV碳源、氮源： SRB的不同菌属生长所利用的碳源是不同的，最普的 是利用 C3、 C4 脂肪酸，如乳酸盐、 丙酮酸、 苹果 酸；此外还可以利用一些挥发性脂肪酸， 如乙酸盐、 丙酸盐、 丁酸盐； 醇类，如乙醇、丙醇等。 铵盐是大多SRB生长所需的氮源。一些报道中，某些 SRB 还能够固氮， 一些菌种能够利用氨基酸中的氮 作为氮源, 少数菌种能通过异化还原硝酸盐和亚硝酸 盐提供氮。 硫酸盐还原菌在硫循环中的地

4、位自然界中的硫循环是一个重要的地球化学循环，其中各个环节都有微生 物参与，SRB 在这个体系中起着不可缺少的作用。在此体系中，厌氧条件下， SRB同化有机物时可以以硫酸盐或其它含 硫化合物作为电子受体，将其还原为 H2S。在此反应中，产物 H2S 和CO2 量的比例为 1: 2。C6H12O2 + 3H2SO46CO2 + 6H2O+ 3H2S硫酸盐还原菌还原SO42-机理 SRB还原SO42-的机理,具体分为三个阶段：分解阶段：在厌氧状态下, 有机物通过基质水平磷 酸化产生 ATP和高能电子； 电子转移阶段：在阶段产生的高能电子通过SRB 特有的电子传递链(如黄素蛋白、细胞色素C等)逐级传

5、递，同时产生大量的 ATP； 氧化阶段：此阶段中电子转移给氧化态的硫元素( SO42-)，将其还原为 S2-，产生H2S，同时消耗ATP。 SRB除了以硫酸盐为电子受体进行还原反应，还需要 有机物为其提供能量并作为生化反应的电子供体。SRB 在环境中起的一些反应由于 SRB 代谢产生H2S，H2S 和许多重金属作用，可以生成硫化物或将重 金属还原。应用生物修复 炼油技术 废水处理 烟气脱硫生物修复由于生成的金属硫化物的溶解度较低，可以利用 SRB 的这个性质来处理被重金属污染的湿地、 池塘以及废 水等，或者在被污染的区域人为构造湿地，将反应生 成的重金属硫化物收集起来集中处理，既利于环境的 改

6、良，又可以回收贵重金属。 据报道，美国新墨西哥州的铀矿和密苏里的铅矿用此 法处理，将形成的 ZnS、 CdS等回收, 效果较理想。炼油技术将硫酸盐还原菌加入到油井中，可以提高油产量。在 石油的二次回收过程中, 脱硫弧菌产生的粘液一种胞 外多糖，起着表面活性剂的作用，有助于从石油砂层 中提取石油。 另外，还有研究认为，它参与石油的形成。据报导， 脱硫弧菌可合成 1425 个碳的长链脂肪族碳氢化合 物。烟气脱硫利用城市消化污水作为廉价碳源进行烟气脱硫，采用含 SRB 絮 体的连续搅拌反应器（CSTR）和细胞固定化的柱型反应器以增 大菌液的浓度，CSTR 中SO2 的转化率为 2.1 mmol/(L

7、h)， 在细胞固定化反应器中分别考察了不同载体对亚硫酸盐脱除率 的影响，其中以抗毒性高、耐久性强、空隙大著称的BIO- EPTM 载体效果最好， 亚硫酸盐的最大转化率可达到 100%， 为 16.5 mol/(Lh)。合成气（36% H2、47% CO、 10% CO2、 5% CH4和 N2，体积分数）作为能量和碳源在滴流床反 应器中进行实验，SO2的转化率可达到 8.8 mmol/(Lh)，转 化1 mol SO2 需用 1.0 mol H2和 1.2 mol CO。 荷兰的 HTSEE 公司和 PAQUES 公司开发的生物烟气脱硫 工艺已进入实用阶段，该工艺在荷兰南部Geertruide

8、nberg的 600 MW火力发电站建立了烟气脱硫中试工厂。 其他低浓度SO2废气治理在某些金属冶炼及硫酸生产过程中会产生大量废气，其中含有少量 SO2，不能达标排放。荷兰的THIOPAQ 技术已经得到工业化应用并 且通过美国环保署实验验证。吸收塔内喷洒循环碱液，二氧化硫与碳酸氢钠反应生成硫酸钠 在厌氧反应器内， 亚硫酸根和硫酸根在 SRB 的作用下被还原为 H2S 厌氧反应器内产生的H2S一部分可以气提循环脱除吸收液中的重金属离 子，剩下的在好氧反应器内被氧化为单质 S。 金属硫化物沉淀和单质S或循环利用，或作为副产品出售。为防止循环 碱液中积累的杂质过多，采用部分排放维持平衡。该技术还可以

9、用于沼 气、天然气及炼厂气脱硫。 含重金属离子的废水处理( 1)因为重金属离子的硫化物在水中的溶度积极小, 所以在 SO42 -还原时产生的H2S与重金属离子反应生成固体硫化物沉淀而得 以去除; ( 2) SRB还原SO42-时会产生碱度,使被处理的废水 pH值提高, 而许多重金属离子的氢氧化物溶解度很小,故有利于重金属离子 形成氢氧化物沉淀去除; ( 3) SRB代谢过程中分解有机物会生成CO2,部分重金属可以转 化成不溶性的碳酸盐而去除; ( 4)利用 SRB菌体细胞的直接吸附作用,将重金属离子吸附在胞 外聚合物上同污泥一同沉淀,从而从水中去除; ( 5) SRB的新陈代谢过程可以通过主动

10、吸收、转化并最终积存 在细胞原生质内, 以此清除重金属的毒害。微生物细胞对重金属 的毒害有一定限度的忍耐, 超过某一限度可能会抑制 SRB 的生 长代谢。酸性矿山废水处理利用 SRB 法生物还原SO42-同时还能有效去除重金属 离子、 降解有机物,可达到以废治废的效果。对 SRB 在处理酸性矿山废水方面已有国内外的许多研究报道 。 Maree等对金矿排水进行了研究，实验结果表明有机 碳中所含的难于生物降解的有机成分以及重金属含量 经过 SRB处理后可被大量去除。含硫酸盐废水经过生 物处理后,单质 S和碱度是最终产物，单质 S可用于工 业，生成的碱度可循环到最初工艺。处理含硫酸盐的有机废水Bos

11、ho f f等以制革厂废水为碳源, 采用 UASB和 SRB两种反应器进行了 SO42-还原效果研究。实验中 控制二反应器进水 SO42-浓度均在 1 800mg /L ,结 果前者 SO42-还原效率和 COD去除速度分别为 600 mg / ( dL )、600 700 mg / ( dL) , 后者 SO42-还原效率COD 去除速度分别为 250mg / ( dL）、200 600mg / ( dL)。未来所需研究工作SRB法处理废水很有应用价值, 但由于生化反应过程中影响 因素多而复杂, 在具体应用于实际之前还需要做大量的研 究工作。主要表现在: ( 1) 寻找技术上可行,经济上价廉

12、的碳源, 同时保证反应器处 理后出水的 COD不随外加碳源而提高; ( 2) 如何提高 SRB在酸性环境中对 SO42-的还原效率,如何 消除还原产物H2 S对其的影响; ( 3) 废水中重金属离子种类的不同,对 SRB等微生物的毒性 和抑制作用也会不同, 而且多种金属离子的综合作用和单 一金属离子的作用也会不一样, 所以有必要对此进行全面 研究; ( 4) 如何刺激 SRB生长进行废水的原位生物修复处理。谢谢！重金属对SRB的抑制顺序为CuCdNiZnCrPb。抑制 SRB的金属浓度分别为20mg/LCd、20mg/LCu、25mg/LZn 、20mg/Lni、60mg/LCr和75mg/L

13、Pb及10mg/L的金属混 合液。此外硫酸盐浓度较高时，Ca2+能沉积在污泥表 面妨碍物质交换，致使污泥完全丧失活性。故含高浓 度硫酸盐废水处理中，Ca2+也能抑制SRB代谢作用。 H2S浓度过高（16 mmol/L） 温度：脱硫弧菌属的最佳生长和转化温度为43摄氏度 磷酸盐浓度：最适宜的碳磷比是C:P= 400: 1 800: 1有研究表明: SRB可以在含氧量 4 . 5 mg /L的环境中生长,但 环境中的含氧量达到 9 . 0 mg /L时, 则不能生长。但总体来 说, SRB属于厌氧菌,适合其生长的氧化还原电位( Eh)须低 于- 100mV。 温度小于 30 时活性受到抑制, 温度

14、降至 20时活性受到强烈 抑制。在含硫酸盐的废水和各种菌种混合共生的复杂体系 中, 一般在 35是硫酸盐的还原率最大 p H均会抑制 SRB的生长及代谢。p H对 SRB代谢功能的影 响主要表现在: p H引起细胞膜内电荷的变化,进而影响 SRB 对底物的吸收; 影响 SRB代谢过程中各种酶的活性和稳定性 , 会改变底物的可给性与毒物的毒性; 改变细胞内的 p H, 影 响ATP的合成和许多生化反应的进行。在汞的生物修复方面,脱硫弧菌能使汞转化为硫化汞,使汞固定和转化. 根据这个性质可以修复被汞污染的土壤、 水体. 但 Berman et al. ( 1990)指出,脱硫弧菌可将汞甲基化,钴胺

15、素参与这个过程.这就要对影响 微生物甲基化的因素进行讨论,影响汞甲基化的因素主要有底物浓度、 温度、 Ph、 金属离子浓度、 氧化还原电位等. 其中底物浓度是最重要的影响因子.据杨惠芳等人研究 w ( Hg) 为 0 100 mg/ kg 范围内时,形成甲基汞量随汞离子浓度提高而增加,当 w( Hg )提高到 500 mg/ kg 时,形成的甲基汞量降低. 环境中的硫化物浓度高低是影响汞甲基化的一个至关重要的因素.硫化 物的浓度低于 1. 8 mg/ g 时,甲基汞的浓度随硫化物的浓度增加而上升. 大于 1. 8 mg/ g时, 甲基汞的浓度随硫化物的浓度增加而降低. 这是因为 硫化物的浓度过高,使汞与硫离子生成难以甲基化的硫化汞.此外, 硫离 子的歧化作用还会导致甲基汞的消除. 在常温下,严格控制厌氧条件, 使氧化还原电位低于一定值, 提供一定量 的硫酸盐.可以利于形成硫化汞,抑制甲基汞的形成.关于 SRB 是否能使 其它重金属甲基化目前尚无定论.