酸性煤矸石山中氧化亞鐵硫桿菌的殺菌劑研究現(xiàn)狀

徐晶晶,胡振琪,趙艷玲,位蓓蕾

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083)

煤炭開采和加工過程中會產(chǎn)生大量煤矸石，一般占原煤的10%～20%，目前我國工業(yè)固體廢棄物累積堆存已超過100億t，但綜合利用率只有約30%～40%。矸石山的堆積嚴(yán)重破壞了周邊環(huán)境，其自燃和滑坡等災(zāi)害產(chǎn)生更是令當(dāng)?shù)鼐用裾勚?。煤矸石中含有大量硫化物，它們以黃鐵礦(FeS2)的形式賦存。矸石山內(nèi)部的熱量逐漸積累，當(dāng)溫度達(dá)到臨界燃燒點時，在通風(fēng)環(huán)境下和微生物的催化作用下，會發(fā)生自燃。自燃的煤矸石山排放出大量的SO2、CO2、CO、H2S等有害氣體與煙塵，破壞周圍植物生長基質(zhì)，使礦區(qū)寸草不生，嚴(yán)重影響礦區(qū)及礦區(qū)周邊的水質(zhì)、土壤和空氣，其含有的大量重金屬更是加劇威脅人類的健康[1]。

硫化物的氧化反應(yīng)是在嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌(A.f菌)的生物催化作用下進行的，并且其催化氧化作用使化學(xué)反應(yīng)速率提高到106倍[2]。氧化亞鐵硫桿菌[3]是一種嗜酸的專性好氧革蘭氏陰性菌，屬于原核生物，適宜在pH為2.3，溫度為30～35℃的環(huán)境中生存，水生性強，直徑約為0.5μm，長約1.2～1.5μm，有細(xì)胞壁和鞭毛，形態(tài)呈桿狀，能游動，細(xì)胞內(nèi)接近中性，細(xì)菌生長周期為6～10d，菌落為黑色，直徑約0.5mm。

氧化亞鐵硫桿菌在酸性煤矸石中的能量來源為亞鐵離子和還原硫化物，主要是通過以下兩種途徑進行催化作用[4-8]。

4FeS2+15O2+2H2O=2Fe2(SO4)3+2H2SO4

FeS2+2Fe3+=3Fe2++2S↓

A.f菌將以上作用生成的S和Fe2+氧化為H2SO4和Fe2(SO4)3，其過程為

4FeSO4+O2+2H2SO4=2Fe2(SO4)3+2H2O

2S+3O2+2H2O=2H2SO4

氧化亞鐵硫桿菌在催化氧化的同時，不斷產(chǎn)生新能源，來完成對煤矸石的氧化，最終導(dǎo)致礦物的分解,礦山酸性排水加強了鐵和硫氧化細(xì)菌氧化亞鐵硫桿菌的活性，煤炭和地層中的黃鐵礦材料的氧化大大加快了產(chǎn)酸反應(yīng)。因此，氧化亞鐵硫桿菌對煤矸石的酸化污染和自燃起著至關(guān)重要的作用，抑制氧化亞鐵硫桿菌的活性對控制酸性自燃煤矸石山有著十分重要的意義，不但有助于減少黃鐵礦的氧化和酸性廢水的產(chǎn)生，還有助于酸性煤矸石山的植被恢復(fù)。

1 A.f菌殺菌劑的研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

通過抑制A.f菌的活性來控制煤矸石山酸性污染這一方法是Leathen等人[11]在1953年最早提出的。后來陸續(xù)有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，A.f菌只是暫時被抑制，隨后便會迅速再生。Hugo,W.B.[12]在1967年發(fā)現(xiàn)洗滌劑能夠改變氧化亞鐵硫桿菌的細(xì)胞質(zhì)膜的半透性能，1985年Andrew A 等人[9]總結(jié)了酸性煤矸石山中氧化亞鐵硫桿菌的緩釋殺菌劑，并分析了三個階段的產(chǎn)酸機制。近年來，有很多學(xué)者對陰離子表面活性劑(anionic urface-tants)和食品防腐劑等對環(huán)境危害小的殺菌劑產(chǎn)生了興趣。例如，Kleinmann等人[13-18]研究了十二烷基硫酸鈉(SLS)、苯甲酸、烷基苯磺酸鈉以及山梨酸的抑制效果，發(fā)現(xiàn)在這些抑制劑中，十二烷基硫酸鈉的殺菌效果是最好的。1970年，Rao G.S[19]通過實驗證明，在低pH值環(huán)境下將丙酮酸作為A.f菌抑制劑可以迅速使其累積在細(xì)胞中從而停止硫的氧化。

2007年，Sand等人[10]總結(jié)了6年來浸礦細(xì)菌和金屬硫化物氧化緩解措施長期影響的可用信息和相關(guān)結(jié)果，認(rèn)為SLS只是短暫的降低了浸礦細(xì)菌的數(shù)量和活性，異噻唑啉酮和覆蓋礦山廢物的有機材料和粉煤灰在一定程度上起到了殺滅A.f菌的效果。同年，Pagnanelli等人[20]通過加入石灰石(抑制pH值的升高)和橄欖果渣油(抑制A.f菌)進行了批次試驗，細(xì)胞生長的實驗數(shù)據(jù)表示為較強的抑制作用。

前人的大量長期研究結(jié)果表明，若單一采用殺菌劑技術(shù)來實現(xiàn)原位控制酸性煤矸石山污染，效果是很不理想的。1981年，Kleinmann[21]將表面活性劑納入橡膠包膜中制成顆粒，應(yīng)用于露天礦的治理，并達(dá)到了很好的效果。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)許多學(xué)者對酸性煤矸石山原位污染與治理進行了一定的研究[22]。

胡振琪[23]分別選用SLS(十二烷基硫酸鈉)和SBZ(苯甲酸鈉)作為殺菌劑進行實驗，以培養(yǎng)液的酸度(pH)、氧化還原電位(Eh)、亞鐵離子被氧化程度為指標(biāo)，探討了抑制A.f菌氧化作用的因素。結(jié)果表明ρ(SLS)10mg/L時，F(xiàn)e2+氧化抑制率是75.69%，ρ(SBZ)為30mg/L時，F(xiàn)e2+氧化抑制率是75.89%(表1)；張哲[24]篩選出菌株Z1通過添加不同劑量的殺菌劑十二烷基磺酸鈉(SDS)和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)分析了不同殺菌劑對A.f菌生長的抑制效果，并用滴制法(醋酸纖維素)將殺菌劑制備成緩釋殺菌滴丸。結(jié)果發(fā)現(xiàn)ρ(SDS)30mg/L時，F(xiàn)e2+氧化抑制率是82.83%，ρ(CTAB)5mg/L時，F(xiàn)e2+氧化抑制率是80.84%。通過SEM、FTIR、元素分析證實了SDS滴丸的載藥率達(dá)到40%以上，而CTAB的滴丸的載藥率只有8.42%(載藥率=滴丸中所含藥物量/滴丸的總質(zhì)量×100%)；任婉俠[25]研究了6種低分子量有機酸(甲酸、乙酸、丙酸、草酸、蘋果酸和檸檬酸)對A.f菌的抑制影響。結(jié)果表明抑制順序為：甲酸>乙酸>丙酸>草酸>蘋果酸>檸檬酸。甲酸濃度為0.254mmol/L時，F(xiàn)e2+的氧化完全被抑制；蘇鳳賢[26]認(rèn)為天然廣譜植物抗菌素大蒜素可以降低革蘭氏陰性菌的生物活性；吳東升[27]以pH值、溫度和十二烷基硫酸鈉(SLS)的濃度做了正交試驗，結(jié)論指出，當(dāng)溫度為25℃，pH為3，SLS濃度為7.5mg/L時，抑制氧化亞鐵硫桿菌達(dá)到最佳效果。

表1 幾種氧化亞鐵硫桿菌的殺菌劑

有學(xué)者對A.f菌的緩釋包膜進行了研究[28]，取得了相應(yīng)的進展。史航等人[29]用溶劑揮發(fā)法制備苯甲酸鈉的聚苯乙烯聚合物微球，并實現(xiàn)了苯甲酸鈉的緩釋。實驗結(jié)果表明，聚苯乙烯微球中所含的苯甲酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到18%，并且微球能夠在涂層基料中分散均勻，最初的釋放速度緩慢，120天以后依然不斷有適量的苯甲酸鈉釋放出來，并表現(xiàn)出良好的抑菌效果。李成學(xué)等[30]通過對保水肥在不同介質(zhì)中的溶脹度、吸水度及保水劑在不同肥料溶液中對肥料吸持性能的測定，研究了不同介質(zhì)對保水肥吸水性能的影響及不同肥料溶液對保水劑的保肥性能的影響；何緒生[31]認(rèn)為保水緩/控釋肥料是具有吸水、保水及釋水的新型緩/控釋肥料，其對改善水肥效率具有良好的前景。

2 考察殺菌劑殺菌效果的重要指標(biāo)

目前國內(nèi)外學(xué)者考察抑制氧化亞鐵硫桿菌氧化作用的因素，多數(shù)以培養(yǎng)液的pH、氧化還原電位Eh和亞鐵離子被氧化程度為指標(biāo)[20-24]。

測定pH值：直接使用pH計測定。

測定Eh值：直接使用Eh計測定溶液的氧化還原電位。

測定Fe2+多使用重鉻酸鉀法或鄰菲羅啉分光光度法測ρ(Fe2+)。

2.1 pH值

培養(yǎng)初期，A.f菌氧化Fe2+時會消耗酸使得菌液的pH升高，溶液中Fe3+數(shù)量增多并發(fā)生水解作用，會在錐形瓶內(nèi)壁和瓶底慢慢結(jié)一層黃色的附著物(黃鉀鐵礬)，溶液中pH值又明顯下降[24]。所以pH值是體現(xiàn)殺菌劑是否對A.f菌有所抑制的一個重要指標(biāo)。

2.2 Eh值

Eh值為氧化還原電位，與Fe3+/Fe2+濃度成正比。溶液的氧化還原電位 Eh 用能斯特方程進行計算[32]，見下式。

Eh=0.767+0.059llg([Fe3+]/[Fe2+])

隨著細(xì)菌的生長，溶液中Fe2+被氧化成Fe3+，[Fe3+]/[Fe2+]比值增加，溶液氧化還原電位Eh 上升[33]。當(dāng)施加殺菌劑之后，由于A.f菌的生長被大量限制，F(xiàn)e2+氧化緩慢，Eh曲線理論上持平，基本沒有變化。可以體現(xiàn)出殺菌劑是否有效殺滅A.f菌，減緩Fe2+的氧化，使Fe2+基本不會被氧化成Fe3+。

2.3 Fe2+氧化率

在初始ρ(Fe2+)相同的情況下，同一時刻溶液中的ρ(Fe2+)越低，ρ(Fe3+)越高，表明A.f菌將Fe2+氧化成Fe3+的能力越強，氧化活性越好。由此說明，F(xiàn)e2+濃度是影響A.f菌生長的重要條件之一。

3 討論

1) 我國的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，這個現(xiàn)狀在短時期內(nèi)不會改變，煤炭開采產(chǎn)生的煤系廢棄物煤矸石的排放量在短時間內(nèi)還會增加，由煤矸石帶來的環(huán)境問題依然存在。因此，煤矸石的酸性源頭污染控制仍是當(dāng)務(wù)之急。煤矸石酸性主要來自硫的氧化，抑制氧化是治理矸石山的有效途徑，顯然，殺菌劑的使用可以抑制微生物催化氧化。煤矸石酸性治理選用的殺菌劑，不僅要考慮殺菌效果、使用條件，而且要考慮到性價比，這樣才能更加廣泛地投入在煤矸石的治理中。除此之外，還要充分考慮其使用對人體長期的安全性。

2) 在治理過程中，室內(nèi)試驗為微生物提供適宜的試驗環(huán)境條件來實現(xiàn)酸性煤矸石的原位污染控制，但是自然界的環(huán)境變化無常，室內(nèi)試驗還存在一定的局限性。需要進一步在國內(nèi)煤礦石堆放的外部環(huán)境下深入實驗，探索出如何永久的抑制或殺死微生物，具體的作用機理還有待進一步的詳細(xì)研究。

3) 酸性自燃煤矸石山是礦區(qū)主要的污染源之一，自發(fā)性的自燃煤矸石山治理實踐，往往導(dǎo)致治理成本高、收效不理想。對其進行深入的理論及試驗研究，使得自燃煤矸石山原位治理效果及成本難以把握，造成經(jīng)濟問題和環(huán)境治理問題，如何探索出合適、高效、低耗的實驗，在優(yōu)化實驗操作的同時也能深入探尋野外條件下殺菌劑的實驗效果仍然是我國煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)環(huán)境治理的難點。

4 前景展望

在環(huán)境問題受到廣泛關(guān)注的今天，環(huán)境受損、生態(tài)補償已成為社會各方關(guān)注的焦點。煤矸石山由于治理起來十分復(fù)雜，一直是企業(yè)和政府面臨的難題，但是從環(huán)境資源的角度來看，煤矸石也是一種可以用來資源化再利用的資源。如果不把煤矸石當(dāng)成廢料，而是把它作為資源加以利用，就會產(chǎn)生一定的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，因此對煤矸石的處置和綜合利用是保護環(huán)境和生態(tài)治理的當(dāng)務(wù)之急。

單一殺菌劑對于環(huán)境來說不一定是最經(jīng)濟和長效的，將包膜緩釋與復(fù)合殺菌這兩項重要的源頭控制技術(shù)結(jié)合起來才能有效地解決源頭控制煤矸石山的酸性氧化問題。因此，應(yīng)該發(fā)掘更有效、更適用、更安全的復(fù)合緩釋殺菌劑來抑制氧化亞鐵硫桿菌，比如已證明具有抑制作用的天然低分子有機物等，再結(jié)合相適應(yīng)的緩釋方法制備緩釋制劑，能夠更完善的進行酸性矸石山原位污染控制。同時還需要進一步研究在煤矸石堆放條件下殺菌劑抑制氧化的更深入機理，探索更合適的殺菌劑材料和有效使用方法。

[1] 李鵬波,胡振琪,吳軍，等.煤矸石山的危害及綠化技術(shù)的研究與探討[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2006,26(4):93-96.

[2] Singer P C,Stumm W.Acidic mine drainage:the rate-determ-iningstep[J].Science,1970,167(3921):1121.

[3] 王艷錦,鄭正,彭曉成，等.氧化亞鐵硫桿菌的分離及生長特性研究[J].環(huán)境保護科學(xué),2007,33(4):30-33.

[4] Adams D J,Pennington P,McLemore V T.The role of microorganisms in acid mine drainage:a preliminary report[J].Science,1947,106(2751):253-256.

[5] 苑俊廷,孫占學(xué).細(xì)菌堆浸浸鈾技術(shù)的發(fā)展及展望[J].中國礦業(yè),2008,17(6):45-48.

[6] 胡凱光,胡鄂明,康泉，等.細(xì)菌浸礦機理和影響因素[J].中國礦業(yè),2004,13(4):73-77.

[7] 蔣鴻輝,王琨.生物選礦的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].中國礦業(yè),2005,14(9):76-78.

[8] 李小燕,張衛(wèi)民,高曙光，等.微生物浸礦技術(shù)在處理低品位銅礦中的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國礦業(yè),2007,16(7):91-97.

[9] Egiebor N O,Oni B.Acid rock drainage form ation and treatment:a review[J].Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering,2007,2(1):47-62.

[10] Sand W,Jozsa P G,Kovacs Z M,et al.Long-term evaluation of acid rock drainage mitigation measures in large lysimeters[J].Journal of Geochemical Exploration,2007,92(2-3):205-211.

[11] Leathen W W,Braley S A,McIntyre L D.The Role of Bacteria in the Formation of Acid from Certain Sulfuritic Constituents Associated with Bituminous Coal[J].Apllied Microbiology,1953,1(2):61-68.

[12] Hugo W B.The Mode of Action of Antibacterial Agents[J].Journal of Applied Microbiology,1967,30(1):17-50.

[13] Sobek A A,Shellhorn M A,Rastogi V.Use of controlled release bactericides for reclamation and abatement of acid mine drainage[J].International Mine Water Congress,Granada,1985:817-821.

[14] Kleinmann R L P,Crerar D A,Pacell RP.Biogeochemistry of acid mine drainage and a method to control acid formation[J].Minerals Engineering,1981,33(3):300-305.

[15] Onysko S J,Kleinmann R L P,Erickson P M.Ferrous iron oxidation by Thiobacillus ferrooxidans:inhibition with benzoic acid,sorbic acid,and sodiumlauryl sulphate[J].Appllied and Environmental Microbiology,1984,48(1):229-231.

[16] Schippers A,Jozsa P G,Kovacs Z M,et al.Large-scale experiments for microbiological evaluation of measures for safeguarding sulfidic mine waste[J].Waste Management,2001,21(2):139-146.

[17] Dugan P R.Prevention of formation of acid drainage from high-sulfur coal refuses by inhibition of iron and sulfur oxidizing micro-organisms(Ⅱ):inhibition in run of mine refuse under simulated field condition[J] .Biotechnology and Bioengineering,1987,29(1):49-54.

[18] Rastogi V.Water quality and reclamation management in mining using bactericides[J].Minerals Engineering,1996,48(4):66-71.

[19] Rao G S,Berger L R.Basis of pyruvate inhibition in Thiobacillus thiooxodans[J].Journal of Bacteriology,1970,102(2):462-466.

[20] Pagnanelli F,Luigi M,Halikia I,et al.Use of natural materials for the inhibition of iron oxidizing bacteria involved in the generation of acid mine drainage[J].Hydrometallurgy,2007,87(1-2):27-35.

[21] Kleinmann RLP.Patent authorized[M].U.S.1981.

[22] 胡鴻,王峰,楊海真.礦山尾礦酸性廢水源頭控制技術(shù)研究進展[J].四川環(huán)境,2010,29(3):98-109.

[23] 胡振琪,張明亮,馬保國，等.利用專性殺菌劑進行煤矸石山酸化污染原位控制試驗[J].環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(5):23-26.

[24] 張哲.金屬硫化物礦山尾礦生物氧化的抑制研究—以廣東大寶山多金屬硫化物礦山為例[D].廣州：華南理工大學(xué),2010.

[25] 任婉俠,李培軍,范淑秀，等.低分子量有機酸對氧化亞鐵硫桿菌影響[J].環(huán)境工程學(xué)報,2008,2(9)：1269-1273.

[26] 蘇鳳賢,張寶善.大蒜素殺菌作用及其在食品中應(yīng)用[J].糧食與油脂,2006,(4):43-45.

[27] 吳東升.酸性礦井水中氧化亞鐵硫桿菌的抑制研究[J].煤炭工程,2008,(10):94-96.

[28] 張哲,楊琛,黨志，等.硫化物礦山尾礦緩釋抑菌劑滴丸的制備及性能測試[J].中國環(huán)境科學(xué),2012,32(6):1087-1092.

[29] 史航,石建高,陳曉蕾，等.包埋苯甲酸鈉微球的制備及在海洋防污涂料中的抑菌研究[J].高分子通報,2011(1):65-70.

[30] 李成學(xué),郭建芳,程剛，等.對保水緩釋肥保水保肥性能的室內(nèi)測試[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010,30(3):258-262.

[31] 何緒生,何養(yǎng)生,鄒紹文.保水劑作為肥料養(yǎng)分緩釋載體的應(yīng)用[J].中國土壤與肥料,2008,(4):5-9.

[32] 布坎南 R E,吉本斯 N E.伯杰氏細(xì)菌鑒定手冊[M].北京:科學(xué)出版社,1994.

[33] 張哲,黨志,舒小華.硫化物礦山尾礦生物氧化作用的抑制研究[J].環(huán)境工程學(xué)報,2010,4(5):1191-1195.