硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng)因子的探討

梁 宇

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,人類對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量日益增長(zhǎng),在礦產(chǎn)資源開采和加工過程中所產(chǎn)生的工業(yè)廢水排放量也隨之增加。由此產(chǎn)生的環(huán)境問題亦愈加嚴(yán)重,其中礦山廢水中污染范圍最廣、危害程度最大的是礦山排放的酸性廢水,因其硫酸鹽含量高、pH值低、酸度大,且含有大量的重金屬,一般都不能直接循環(huán)利用,而通常是未經(jīng)處理就地排放,由此造成的環(huán)境污染危害極為嚴(yán)重,不僅破壞生態(tài)環(huán)境,而且會(huì)影響到人們的身體健康[1]。因此如何處理含硫酸鹽酸性礦山廢水已成為一個(gè)很重要的問題。

微生物法處理含硫酸鹽酸性礦山廢水的實(shí)質(zhì)是利用自然界中的硫循環(huán)反應(yīng)原理,利用硫酸鹽還原菌(Sulphate Reducing Bacteria,SRB)將SO還原為H2S并進(jìn)一步通過生物氧化作用將H2S氧化為單質(zhì)S的過程。其中因微生物法具有費(fèi)用低、適用性強(qiáng)、無二次污染,可回收副產(chǎn)品單質(zhì)硫等優(yōu)點(diǎn),已成為酸性礦山廢水處理技術(shù)的熱門課題。

SRB通常指的是能通過異化作用進(jìn)行硫酸鹽還原的一類細(xì)菌。近年來人們已經(jīng)較成功掌握了15個(gè)種屬,其中用于廢水處理的有9個(gè)屬,主要的2個(gè)屬為 Desulfovibrio和 Desulfotomaculum,二者均為革蘭氏陰性菌。SRB的一個(gè)重要生理特征是生長(zhǎng)力強(qiáng)[2]。它廣泛存在于水田、湖、沼、河川底泥、石油礦床等自然界中。

本文主要討論硫酸鹽還原菌的影響因素。

1 SRB的基本特性

SRB是在無氧狀態(tài)下,用乳酸或丙酮酸等有機(jī)物作為電子供體,用硫酸鹽作為末端電子接受體而繁殖的一群偏性兼氣性細(xì)菌[3]。

SRB的一個(gè)重要生理特征是生長(zhǎng)力強(qiáng)。它廣泛存在于水田、湖、沼、河川底泥、石油礦床、反芻動(dòng)物的第一胃等地方。SRB不僅具有廣泛的基質(zhì)譜,生長(zhǎng)速度快,還含有不受氧毒害的酶系,因此可以在各種各樣的環(huán)境中生存,保證了SRB有較強(qiáng)的生存能力。

SRB的另一生理特性是硫酸鹽的存在能促進(jìn)其生長(zhǎng),但不是其生存和生長(zhǎng)的必要條件。在缺乏硫酸鹽的環(huán)境下,SRB通過進(jìn)行無SO參與的代謝方式生存和生長(zhǎng);當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)了足量的硫酸鹽后,SRB則以SO為電子受體氧化有機(jī)物,通過對(duì)有機(jī)物的異化作用,獲得生存所需的能量,維持生命活動(dòng)[4]。

2 SRB的生長(zhǎng)因子

2.1 碳源

SRB屬于異養(yǎng)微生物,即其生長(zhǎng)代謝轉(zhuǎn)化硫酸鹽需要一定的碳源,這些碳源既是增加生物量所需,又作為供電子體對(duì)硫酸鹽進(jìn)行還原異化。

近年來許多研究結(jié)果表明,在有硫酸鹽存在的條件下,不同的污泥來源、不同的馴化條件得到的生態(tài)系統(tǒng)中,利用各種碳源基質(zhì)的SRB的分布必然有較大差別,從而表現(xiàn)為污泥對(duì)于各種碳源具有不同的硝化能力,進(jìn)而影響到它們對(duì)硫酸鹽的還原速率。SRB的不同菌屬生長(zhǎng)所利用的碳源是不同的[5],最普遍的是利用C3,C4,脂肪酸,如乳酸鹽、丙酮酸、蘋果酸。近20余年來,由于選用不同碳源的培養(yǎng)基,SRB利用的有機(jī)碳源和電子供體的種類不斷擴(kuò)大,發(fā)現(xiàn)SRB還能利用乙酸、丙酸、丁酸和長(zhǎng)鏈脂肪酸及苯甲酸等。SRB在利用多種多樣的化合物作為電子供體時(shí)表現(xiàn)出了很強(qiáng)的能力和多樣性,迄今發(fā)現(xiàn)可支持其生長(zhǎng)的基質(zhì)已超過100種。另外,SRB除了能利用單一有機(jī)碳化物作為碳源和能源(化能有機(jī)生長(zhǎng))外,還可利用不同的物質(zhì)分別作為碳源和能源。四川大學(xué)的萬海清等人[6],以改良的LTH液體培養(yǎng)基為基礎(chǔ),分別用甲醇、乙醇、乙酸、丙酸、乳酸、葡萄糖、正己酸和苯酚作為單一碳源,試驗(yàn)SRB利用碳源的情況。在35℃,pH=6.5的條件下培養(yǎng),根據(jù)培養(yǎng)液中產(chǎn)生H2S的快慢、多少、出現(xiàn)黑色FeS的量,可判定SRB還原轉(zhuǎn)化硫酸鹽的效率與對(duì)碳源的利用情況。其結(jié)果是:SRB能以甲醇、乙醇、乳酸、葡萄糖等有機(jī)物作為良好碳源,SRB對(duì)它們的消耗速率大小為:乳酸＞乙醇＞甲醇＞葡萄糖;SRB不能利用乙酸、丙酸、正己酸、苯酚。

2.2 氮源

銨鹽是大多數(shù)SRB生長(zhǎng)所需的氮源。據(jù)一些報(bào)道,某些SRB還能夠固氮。一些菌種能夠利用氨基酸中的氮作為氮源,少數(shù)菌種能通過異化還原硝酸鹽和亞硝酸鹽提供氮。1992年,BooPahty分離出一株脫硫弧菌(Desulfovlbroi)能夠利用硝酸鹽,亞硝酸鹽和2,4,6-三硝基苯(TNT)作為氮源和電子受體[7]。

2.3 溫度

在廢水處理中,SRB對(duì)溫度的依賴性是多樣的、非隨機(jī)性的。據(jù)研究,純培養(yǎng)的SRB最佳生長(zhǎng)溫度是30℃左右,但在含硫酸鹽廢水和各菌群混合共生的復(fù)雜體系中,SRB的硫酸鹽還原速度不僅僅取決于環(huán)境的溫度是否為最佳溫度,還要受競(jìng)爭(zhēng)的影響,一般在35℃時(shí),其硫酸鹽還原速率最大。

2.4 pH

pH是影響SRB活力的主要因素之一,合適的pH環(huán)境對(duì)微生物的生長(zhǎng)及代謝是必須的。[H+]的高低直接影響硫酸鹽還原酶系的構(gòu)象、性質(zhì)及生物學(xué)活性。主要體現(xiàn)在:

1)pH值引起細(xì)胞電荷的變化,從而影響SRB對(duì)底物的吸收;2)影響SRB代謝過程中各種酶的活性與穩(wěn)定性;改變生態(tài)環(huán)境中底物的可給性以及毒物(如影響H2S的存在狀態(tài))的毒性;3)透過細(xì)胞膜的有機(jī)酸在SRB細(xì)胞內(nèi)重新電離,改變胞內(nèi)的pH值,影響許多生化反應(yīng)的進(jìn)行及ATP的合成。

相對(duì)于產(chǎn)酸菌來說,SRB所能忍耐的pH范圍較窄。SRB一般不在pH＜6.0的條件下生長(zhǎng),SRB生長(zhǎng)最適pH值一般在中性范圍內(nèi)。許多研究表明,純培養(yǎng)的SRB的最佳工作pH值是6.7左右,而混合培養(yǎng)時(shí),由于菌群間復(fù)雜的共生關(guān)系,其耐受的pH可以有所降低。當(dāng)pH值在6.8～7.2之間時(shí),硫酸鹽還原效果最好,反應(yīng)器中的pH值范圍為6.0～8.0時(shí),反應(yīng)器中的硫酸鹽還原是可行的[8]。不同的研究者得出的結(jié)論也有差異,存在這些差異的原因有細(xì)菌本身在一定的環(huán)境條件下發(fā)生馴化適應(yīng)作用,反應(yīng)器中的營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)因子比較適宜,細(xì)菌之間有互營(yíng)共生作用,細(xì)菌互相粘連而以絮狀體形式存在等。

2.5 氧化還原電位

不同微生物對(duì)環(huán)境中的氧化還原電位的要求差異很大,早期人們認(rèn)為SRB屬于嚴(yán)格厭氧菌,但近期的研究表明SRB在微氧的環(huán)境中也能生存,在前面論述過。但總的來說任何SRB均不以O(shè)2作為電子受體生長(zhǎng)。為保證硫酸鹽有效的還原,SRB生長(zhǎng)的氧化還原電位(Eh)必須低于-100 mV。氧氣(空氣)以及氧化態(tài)化合物對(duì)SRB有著十分強(qiáng)烈的抑制作用[9]。

由SRB能夠耐受少量氧氣存在(氧氣過量使SRB不能生長(zhǎng))的性能可知,SRB菌體內(nèi)可能存在去除有害活性氧的機(jī)制。O2獲得電子變成的超氧陰離子自由基就是活性氧的一種形式,它在厭氧菌細(xì)胞中可破壞各種生物高分子和細(xì)胞膜,也可形成其他活性氧化物,故對(duì)生物體十分有害。然而,在兼性耐氧菌胞體內(nèi)存在解毒除害的超氧化物歧化酶(SOD)與過氧化氫酶等,它們?cè)谝后w環(huán)境下,能將超氧陰離子轉(zhuǎn)變成H2O2后再變?yōu)镠2O和O2,四川大學(xué)的萬海清等[6]通過菌團(tuán)能使H2O2明顯釋放出O2的實(shí)驗(yàn),證明所用SRB菌體內(nèi)確實(shí)含有H2O2酶。

2.6 可見光(或紫外光)

SRB對(duì)光很敏感。在通常的發(fā)散日光下,SRB會(huì)受到完全的抑制,故SRB有機(jī)體必須在黑暗中培養(yǎng)。

3 結(jié)語

SRB是一類多樣性群體,在厭氧處理反應(yīng)器中,碳源、氮源、溫度、pH、氧化還原電位、可見光等各種生態(tài)因子相互影響、相互制約,共同作用于SRB。研究和探討這些因子,令其在合理的范圍內(nèi)取值,對(duì)硫酸鹽廢水處理有重要的意義。

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[9]Postgate J R,Frs.The Sulphate-Reducing Bacteria(second edition)[J].Cambridge University Press,1984(2):17-18.