硫酸鹽還原菌的生長因子的探討

梁 宇

隨著社會經濟的迅速發展,人類對礦產資源的需求量日益增長,在礦產資源開采和加工過程中所產生的工業廢水排放量也隨之增加。由此產生的環境問題亦愈加嚴重,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利用,而通常是未經處理就地排放,由此造成的環境污染危害極為嚴重,不僅破壞生態環境,而且會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很重要的問題。

微生物法處理含硫酸鹽酸性礦山廢水的實質是利用自然界中的硫循環反應原理,利用硫酸鹽還原菌(Sulphate Reducing Bacteria,SRB)將SO還原為H2S并進一步通過生物氧化作用將H2S氧化為單質S的過程。其中因微生物法具有費用低、適用性強、無二次污染,可回收副產品單質硫等優點,已成為酸性礦山廢水處理技術的熱門課題。

SRB通常指的是能通過異化作用進行硫酸鹽還原的一類細菌。近年來人們已經較成功掌握了15個種屬,其中用于廢水處理的有9個屬,主要的2個屬為 Desulfovibrio和 Desulfotomaculum,二者均為革蘭氏陰性菌。SRB的一個重要生理特征是生長力強[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是在無氧狀態下,用乳酸或丙酮酸等有機物作為電子供體,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菌[3]。

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

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

2 SRB的生長因子

2.1 碳源

SRB屬于異養微生物,即其生長代謝轉化硫酸鹽需要一定的碳源,這些碳源既是增加生物量所需,又作為供電子體對硫酸鹽進行還原異化。

近年來許多研究結果表明,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系統中,利用各種碳源基質的SRB的分布必然有較大差別,從而表現為污泥對于各種碳源具有不同的硝化能力,進而影響到它們對硫酸鹽的還原速率。SRB的不同菌屬生長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基,SRB利用的有機碳源和電子供體的種類不斷擴大,發現SRB還能利用乙酸、丙酸、丁酸和長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表現出了很強的能力和多樣性,迄今發現可支持其生長的基質已超過100種。另外,SRB除了能利用單一有機碳化物作為碳源和能源(化能有機生長)外,還可利用不同的物質分別作為碳源和能源。四川大學的萬海清等人[6],以改良的LTH液體培養基為基礎,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SRB利用碳源的情況。在35℃,pH=6.5的條件下培養,根據培養液中產生H2S的快慢、多少、出現黑色FeS的量,可判定SRB還原轉化硫酸鹽的效率與對碳源的利用情況。其結果是:SRB能以甲醇、乙醇、乳酸、葡萄糖等有機物作為良好碳源,SRB對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SRB生長所需的氮源。據一些報道,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對溫度的依賴性是多樣的、非隨機性的。據研究,純培養的SRB最佳生長溫度是30℃左右,但在含硫酸鹽廢水和各菌群混合共生的復雜體系中,SRB的硫酸鹽還原速度不僅僅取決于環境的溫度是否為最佳溫度,還要受競爭的影響,一般在35℃時,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環境對微生物的生長及代謝是必須的。[H+]的高低直接影響硫酸鹽還原酶系的構象、性質及生物學活性。主要體現在:

1)pH值引起細胞電荷的變化,從而影響SRB對底物的吸收;2)影響SRB代謝過程中各種酶的活性與穩定性;改變生態環境中底物的可給性以及毒物(如影響H2S的存在狀態)的毒性;3)透過細胞膜的有機酸在SRB細胞內重新電離,改變胞內的pH值,影響許多生化反應的進行及ATP的合成。

相對于產酸菌來說,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,SRB生長最適pH值一般在中性范圍內。許多研究表明,純培養的SRB的最佳工作pH值是6.7左右,而混合培養時,由于菌群間復雜的共生關系,其耐受的pH可以有所降低。當pH值在6.8～7.2之間時,硫酸鹽還原效果最好,反應器中的pH值范圍為6.0～8.0時,反應器中的硫酸鹽還原是可行的[8]。不同的研究者得出的結論也有差異,存在這些差異的原因有細菌本身在一定的環境條件下發生馴化適應作用,反應器中的營養和生長因子比較適宜,細菌之間有互營共生作用,細菌互相粘連而以絮狀體形式存在等。

2.5 氧化還原電位

不同微生物對環境中的氧化還原電位的要求差異很大,早期人們認為SRB屬于嚴格厭氧菌,但近期的研究表明SRB在微氧的環境中也能生存,在前面論述過。但總的來說任何SRB均不以O2作為電子受體生長。為保證硫酸鹽有效的還原,SRB生長的氧化還原電位(Eh)必須低于-100 mV。氧氣(空氣)以及氧化態化合物對SRB有著十分強烈的抑制作用[9]。

由SRB能夠耐受少量氧氣存在(氧氣過量使SRB不能生長)的性能可知,SRB菌體內可能存在去除有害活性氧的機制。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,它在厭氧菌細胞中可破壞各種生物高分子和細胞膜,也可形成其他活性氧化物,故對生物體十分有害。然而,在兼性耐氧菌胞體內存在解毒除害的超氧化物歧化酶(SOD)與過氧化氫酶等,它們在液體環境下,能將超氧陰離子轉變成H2O2后再變為H2O和O2,四川大學的萬海清等[6]通過菌團能使H2O2明顯釋放出O2的實驗,證明所用SRB菌體內確實含有H2O2酶。

2.6 可見光(或紫外光)

SRB對光很敏感。在通常的發散日光下,SRB會受到完全的抑制,故SRB有機體必須在黑暗中培養。

3 結語

SRB是一類多樣性群體,在厭氧處理反應器中,碳源、氮源、溫度、pH、氧化還原電位、可見光等各種生態因子相互影響、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取值,對硫酸鹽廢水處理有重要的意義。

[1]康鳳先,倫世儀.硫酸鹽還原—甲烷發酵兩步厭氧法處理含高濃度硫酸鹽有機廢水可行性研究[J].工業水處理,1993,13(1):13-16.

[2]李新榮,沈德中.硫酸鹽還原菌的生態特性及其應用[J].應用與環境生物學報,1999(5):10-13.

[3]俞敦義,彭芳明,劉小武,等.環境對硫酸鹽還原菌生長的影響[J].材料保護,1996,29(2):1-2.

[4]付玉斌.硫酸鹽還原菌誘發腐蝕的研究特點[J].材料開發與應用,1999,14(5):45-47.

[5]李亞新,蘇冰琴.硫酸鹽還原菌和酸性礦山廢水的生物處理[J].環境污染治理技術與設備,2000,1(5):1-11.

[6]萬海清,蘇仕軍.硫酸鹽還原菌的生長影響因子及脫硫性能的研究[J].高校化學工程學報,2004,18(2):124-126.

[7]Boopathy R.,Kulpac F.Trinitrotoluene(TNT)as asole Nitrogen source for a sulfate-reducing baeterium Desuofolvibriosp.(B.strain)isolate from an anaerobicdigeste[J].Current Microbial,1992(25):235-241.

[8]Renze T,Van Houten,Letting G.A Novel Reactor Design for Biological Sulphate Removal.Proc.8,International Conf..on Anaerobic Design,1997:25-29.

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