硫酸鹽還原菌及其在廢水處理應(yīng)用中的研究進(jìn)展

徐 曼,付志敏

（內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 呼和浩特 010021）

硫酸鹽還原菌及其在廢水處理應(yīng)用中的研究進(jìn)展

徐 曼,付志敏

（內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 呼和浩特 010021）

硫酸鹽還原菌（SRB）是一類分布廣泛，利用硫酸鹽或者其他氧化態(tài)硫化物作為電子受體來異化有機(jī)物質(zhì)的兼性厭氧菌。本文在介紹了SRB的生理特性和代謝機(jī)理，闡明了SRB降解水中污染物原理，探討了SRB在處理含重金屬離子礦山酸性廢水和有機(jī)廢水中的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展。

硫酸鹽還原菌（SRB）；生理特性；微生物燃料電池（MFCs）；有機(jī)廢水

社會(huì)不斷進(jìn)步和人們生活水平的提高，使得各種廢（污）水的產(chǎn)生量隨之增多, 由此帶來的環(huán)境污染問題引起了人們的極大關(guān)注。廢水處理法中的生物法由于成本低、效果好而倍受青睞，以硫酸鹽還原菌（Sulfate-Reducing-Bacteria，SRB）為代表的生物處理法作為一項(xiàng)新的實(shí)用技術(shù)應(yīng)用前景廣闊[1-4]。

本文針對(duì)近年來SRB的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了綜述，介紹了SRB的生理特性，分類和代謝機(jī)理，以及處理廢水的機(jī)理、特點(diǎn)與研究現(xiàn)狀，還有近來新興的關(guān)于微生物燃料電池的應(yīng)用，指出SRB處理廢水作為一項(xiàng)新的實(shí)用技術(shù)極具潛力。

1 SRB的基本特性

1.1 SRB的生理特性

SRB是指一類在無氧或極少氧條件下，具有可把硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽等硫氧化物以及元素硫還原成硫化氫這一生理特性的細(xì)菌的統(tǒng)稱。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SRB研究做了大量的工作，包括SRB的生態(tài)特性、毒理學(xué)研究及其污染與防治方法、分離及篩選、處理工藝及反應(yīng)器等[1]。SRB分布廣泛，它們存在于含硫沉積物、厭氧污泥、污水、金屬管道或容器，動(dòng)物腸道或口腔等，還存在于土壤、水稻田、海水、鹽水、自來水、溫泉水、地?zé)岬貐^(qū)。

SRB屬于異養(yǎng)微生物，生長(zhǎng)代謝轉(zhuǎn)化硫酸鹽需要一定的碳源，碳源可以增加其生物量和作為電子供體進(jìn)行硫酸鹽還原，對(duì)于SRB的生長(zhǎng)代謝和還原作用有直接影響。研究表明SRB可以利用的有機(jī)基質(zhì)有很多種類，最普遍的是利用C3、C4脂肪酸（乳酸鹽、丙酮酸、蘋果酸），國(guó)外也有研究者曾利用氨基酸、乙酸、丙酸、丁酸和一些長(zhǎng)鏈脂肪酸以及初沉池污泥、剩余活性污泥、糖蜜[2]、經(jīng)過氣提的奶酪乳清和橡膠廢水等作為碳源進(jìn)行研究，還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)SRB可以利用純一氧化碳[3]，還有長(zhǎng)鏈烷烴[4]。對(duì)于幾種主要的碳源，研究表明[5]SRB利用丙酸鹽、丁酸鹽、乳酸鹽、乙酸鹽的硫酸鹽還原強(qiáng)度依次降低。SRB不能利用乙酸、丙酸、正己酸、苯酚[6]。

SRB在有氧和無氧的環(huán)境下均能生長(zhǎng)，在厭氧條件下最適溫度為31～35oC，最適pH為6≤pH≤6.5[6]，當(dāng)COD/SO42-=2.7[7]時(shí)，硫酸鹽幾乎可以被完全去除。另外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)。

1.2 SRB的分類

根據(jù)《伯杰細(xì)菌鑒定手冊(cè)》（第八版），在廢水處理系統(tǒng)中常見的SRB有8個(gè)屬（見表1）主要為不產(chǎn)芽孢的脫硫弧菌屬和產(chǎn)芽孢的脫硫腸狀菌屬。

根據(jù)所利用的底物[8]，可將廢水處理系統(tǒng)中的SRB分為三類：（1）氫營(yíng)養(yǎng)型硫酸鹽還原菌（HSRB）；（2）乙酸營(yíng)養(yǎng)型硫酸鹽還原菌（ASRB）；（3）高級(jí)脂肪酸營(yíng)養(yǎng)型硫酸鹽還原菌（FASRB）。也有根據(jù)rRNA測(cè)序分析[9]，將SRB分為革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、嗜熱細(xì)菌和嗜熱古細(xì)菌。其中，最常見的是不產(chǎn)芽孢革蘭氏陰性嗜溫SRB。在淡水及其他含鹽量較低的環(huán)境中，分離到的多為革蘭氏陽性、產(chǎn)芽孢的SRB。

根據(jù)生理生化特性的不同，可將SRB分為異化硫酸鹽還原細(xì)菌和異化硫還原細(xì)菌。前者可以利用乳酸鹽、丙酮酸鹽、乙醇等作為碳源和能源，還原硫酸鹽生成硫化物；后者則不能還原硫酸鹽，只能還原其他硫化合物（亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽）。

表1 硫酸鹽還原菌（SRB）的分類

1.3 SRB的代謝機(jī)理

SRB的分解代謝在國(guó)內(nèi)外研究很多，合成代謝的研究幾乎沒有，SRB的代謝利用硫酸鹽，使環(huán)境中的硫酸鹽減少或耗盡。由于S2-，HS-與氫結(jié)合生成反應(yīng)的終產(chǎn)物H2S，使體系的氧化還原電位下降。SRB的代謝過程可以分為3個(gè)階段：分解代謝、電子傳遞、氧化[10,11]，如圖1所示。

圖1 SRB的分解代謝過程

在分解代謝第一階段，有機(jī)物碳源在厭氧狀態(tài)下被降解，同時(shí)通過“基質(zhì)水平磷酸化”產(chǎn)生少量ATP和高能電子；第二階段，前一階段釋放高能電子通過SRB中特有的電子傳遞鏈（如黃素蛋白，細(xì)胞色素C3等）逐級(jí)傳遞，產(chǎn)生大量的ATP；在最后的氧化階段中，電子被傳遞給SO42-, 并將其還原為S2-，此時(shí), 需要消耗ATP提供能量。從這一過程可以看出，有機(jī)物不僅是SRB的碳源，也是其能源，SO42-僅作為最終電子受體。

SO42-作為SRB代謝過程中的最終電子受體，將被還原成S2-，它的還原過程主要分為三步。首先在細(xì)胞體外積累，然后進(jìn)入細(xì)胞。在細(xì)胞內(nèi)，第一步反應(yīng)是在ATP-硫酸化酶的催化作用下，SO42-和ATP反應(yīng)生成腺苷酰胺酸（APS）和很快分解為無機(jī)磷酸（Pi）的焦磷酸（PPi）。第二步，APS在APS-還原酶的作用下生成亞磷酸鹽磷酸腺苷（AMP）。第三步，亞磷酸鹽經(jīng)過脫水分解氧化生成最終代謝產(chǎn)物S2-排出，如圖2所示。

圖2 SRB的分解過程

2 SRB在處理廢水中的應(yīng)用

2.1 SRB處理酸性礦山廢水

酸性礦山廢水（Acidic Mine Drainage，AMD）含有大量SO42-以及重金屬離子，未經(jīng)處理排放到環(huán)境中，SO42-厭氧條件下生成硫化氫，造成惡臭氣味，硫化氫對(duì)于水生生物具有毒害作用，重金屬離子污染地下水、土壤或水生生物，對(duì)人類的生活造成影響。由于重金屬離子在環(huán)境中無法被分解，因而一旦進(jìn)入環(huán)境后就會(huì)不斷地積累而難以去除，對(duì)環(huán)境造成長(zhǎng)期污染和破壞。

在處理重金屬離子時(shí)，主要通過三種方式改善廢水水質(zhì)：產(chǎn)生的硫化氫與溶解的金屬離子反應(yīng)，生成溶解度非常低的金屬硫化物從溶液中除去[12,13]；SO42-還原消耗水合氫離子, 使得溶液pH值升高, 金屬離子以氫氧化物形式沉淀；SO42-還原反應(yīng)降低了SO42-濃度；SO42-還原反應(yīng)以有機(jī)物氧化產(chǎn)生的重碳酸鹽形式造成堿性, 使水質(zhì)得到改善。

利用SRB處理AMD成本較低，Tony Jong[14]以沙石作為厭氧填充床反應(yīng)器中的填料及混合系SRB生長(zhǎng)的載體進(jìn)行研究，有機(jī)物和SO42-負(fù)荷分別為7.43 kg/d.m3和3.71 kg/d.m3，經(jīng)過厭氧處理后，廢水pH值由4.5上升到7.0，SO42-去除率達(dá)82％，Cu、Zn和Ni去除率達(dá)97.5％以上，As和Fe去除率則分別為77.5％和82％，但對(duì)于Mg和Al的去除沒有效果。李亞新[15]等研究表明，污水廠污泥的酸性發(fā)酵產(chǎn)物可作為SRB的合適碳源。常溫（20 ℃）條件下，當(dāng)AMD中SO42-濃度為3000 mg/L，pH=3.0，COD/SO42-比值為1.0左右，進(jìn)水SO42-負(fù)荷為5.22 kg SO42-/m3.d時(shí)，SRB的還原能力可達(dá)到3.32 kg SO42-/m3·d。AMD處理出水pH值可達(dá)6.0，SO42-還原率為63.6％，COD去除率為45.1％，重金屬Fe2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+去除率均在89％以上；出水pH值和重金屬離子濃度均滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。?zverdi等[16]運(yùn)用硫沉淀的方法去除重金屬Cu2+, Cd2+和Pb2+，在低pH（＜3）值的條件下，利用SRB還原產(chǎn)生的H2S吸附重金屬離子，處理效率為Cu2+=100％, Cd2+＞94％和Pb2+＞92％，吸附能力為Pb2+＞Cu2+＞Cd2+。

利用SRB處理AMD成本較低，但是由于生物處理的過程復(fù)雜，所以還需要在：有機(jī)碳源種類、反應(yīng)器類型及提高SRB細(xì)菌在不同條件下（pH值、重金屬存在）的硫酸鹽脫除能力等方面進(jìn)行深入的研究。

2.2 SRB處理有機(jī)廢水

近年來興起的造紙、食品等輕工業(yè)排放的生產(chǎn)廢水中除含高濃度的有機(jī)物外, 往往還含有高濃度硫酸鹽, 此類廢水屬高硫酸鹽有機(jī)廢水。這些廢水若處理不善, 排入水體不僅會(huì)產(chǎn)生具有惡臭味和腐蝕性的H2S, 而且直接危害人體健康和生態(tài)平衡。在微生物厭氧消化過程中[17,18], 產(chǎn)甲烷細(xì)菌（Methane-Producing-Bacteria，MPB）對(duì)有機(jī)物的去除起了重要的作用, 但是在高SO42-有機(jī)廢水中, SO4

2-還原對(duì)產(chǎn)甲烷過程具有不利影響。SO4

2-還原對(duì)厭氧消化的影響機(jī)制歸納為兩方面[19]，（1）SRB與MPB在利用共同底物（H2和乙酸）上的初級(jí)競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用；因?yàn)镾RB具有較低的Km值（表2）, 因而在底物親和力方面更具優(yōu)勢(shì)[20]。從熱力學(xué)角度看，SO42-還原作用比產(chǎn)甲烷反應(yīng)具有更高的△G0絕對(duì)值, 因此反應(yīng)更容易發(fā)生。另外, 從生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)來講, SRB較MPB有更高的生長(zhǎng)率和細(xì)胞產(chǎn)率[21]；且SRB具有較廣泛的可利用基質(zhì)碳源。從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)看，MPB具有較大的比基質(zhì)降解速率Vmax，在底物濃度較高時(shí), 能有效地進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化和保持代謝平衡，具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)（見表3），Maillacheruvu[22]發(fā)現(xiàn)在低SO42-濃度廢水中MPB生長(zhǎng)優(yōu)于SRB，因而在處理COD/SO42-濃度比值較大的有機(jī)廢水時(shí), SRB的不利影響較小。

表2 SRB和MPB利用H2和乙酸的比較

表3 SRB和MPB的動(dòng)力學(xué)常數(shù)比較

（2）SRB在還原過程中產(chǎn)生的H2S對(duì)MPB有次級(jí)毒害抑制作用[1]。原因可能在于細(xì)胞一般帶負(fù)電, 只有電中性的H2S分子容易接近并穿透細(xì)菌的細(xì)胞膜進(jìn)入內(nèi)部, 破壞蛋白質(zhì), 還可以通過形成硫鏈干擾輔酶A和輔酶M[23]。

通過投加抑制劑[24]對(duì)SRB活性的進(jìn)行選擇性抑制，可削減SRB對(duì)MPB的初級(jí)抑制作用，目前研究最多的抑制劑是鉬酸鹽（MOO42-）。但是，長(zhǎng)時(shí)間研究發(fā)現(xiàn)MPB同樣受到抑制，而且SRB逐漸適應(yīng)這種抑制劑。Isa等[25]發(fā)現(xiàn)MOO42-對(duì)MPB有殺菌作用，并引起反應(yīng)器中乙酸的積累。因此不建議用鉬酸鹽。Chen[19]發(fā)現(xiàn)COD/SO42-是決定厭氧消化中是否存在SRB對(duì)MPB抑制的主要因素，增大COD/SO42-的比值，有利于產(chǎn)甲烷反應(yīng)地進(jìn)行，一般而言，當(dāng)污水中的COD/SO42-＞10時(shí)，MPB不會(huì)受到SRB 的抑制作用；而當(dāng)COD/SO42-＞20時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)很難有SRB存在[26]。

Reis等[27]提出SRB對(duì)MPB的次級(jí)抑制作用作用主要是由溶解性H2S引起。pH值是H2S在水中狀態(tài)的指示指標(biāo)，Khanal等[28]發(fā)現(xiàn)在pH為6.4～7.2條件下的UASB反應(yīng)器中，每250 mg/L的硫化物就會(huì)抑制50 ％ MPB進(jìn)行產(chǎn)甲烷活動(dòng)。根據(jù)在水中H S的電離平衡方程，提高pH有利于H2S電離，即有利于消除溶解性H2S對(duì)MPB的抑制作用。另外，SRB的氧化還原電位（Oxidation Reduction Potential，ORP）要求小于-100 mV，而MPB的小于-330 mV。因此，基于氧化反應(yīng)的ORP達(dá)到-230 mV時(shí)，可以提高M(jìn)PB對(duì)SRB的競(jìng)爭(zhēng)能力，使得MPB可以穩(wěn)定的存活并保持高度活性。COD/SO42-的比值同樣對(duì)H2S濃度有影響，Sabumon[29]發(fā)現(xiàn)COD/SO42-＜10時(shí)，H2S濃度降低，并且在COD/SO42-比值低（=1.3）的條件下，通過給反應(yīng)器上部通入氧氣就可以消除硫化物對(duì)MPB的抑制。

3 結(jié)論

微生物法作為一種最有前途的廢水處理方法, 具有高效、無二次污染, 處理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。其中, 硫酸鹽還原菌處理廢水的理論在國(guó)內(nèi)外處于熱點(diǎn)研究探索中,由于硫酸鹽還原菌容易培養(yǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn),還有分布廣泛，兼性厭氧等生態(tài)特性，使其在工程上的應(yīng)用成為可能。

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