硫酸盐还原菌的生长因子的探讨

梁 宇

随着社会经济的迅速发展,人类对矿产资源的需求量日益增长,在矿产资源开采和加工过程中所产生的工业废水排放量也随之增加。由此产生的环境问题亦愈加严重,其中矿山废水中污染范围最广、危害程度最大的是矿山排放的酸性废水,因其硫酸盐含量高、pH值低、酸度大,且含有大量的重金属,一般都不能直接循环利用,而通常是未经处理就地排放,由此造成的环境污染危害极为严重,不仅破坏生态环境,而且会影响到人们的身体健康[1]。因此如何处理含硫酸盐酸性矿山废水已成为一个很重要的问题。

微生物法处理含硫酸盐酸性矿山废水的实质是利用自然界中的硫循环反应原理,利用硫酸盐还原菌(Sulphate Reducing Bacteria,SRB)将SO还原为H2S并进一步通过生物氧化作用将H2S氧化为单质S的过程。其中因微生物法具有费用低、适用性强、无二次污染,可回收副产品单质硫等优点,已成为酸性矿山废水处理技术的热门课题。

SRB通常指的是能通过异化作用进行硫酸盐还原的一类细菌。近年来人们已经较成功掌握了15个种属,其中用于废水处理的有9个属,主要的2个属为 Desulfovibrio和 Desulfotomaculum,二者均为革兰氏阴性菌。SRB的一个重要生理特征是生长力强[2]。它广泛存在于水田、湖、沼、河川底泥、石油矿床等自然界中。

本文主要讨论硫酸盐还原菌的影响因素。

1 SRB的基本特性

SRB是在无氧状态下,用乳酸或丙酮酸等有机物作为电子供体,用硫酸盐作为末端电子接受体而繁殖的一群偏性兼气性细菌[3]。

SRB的一个重要生理特征是生长力强。它广泛存在于水田、湖、沼、河川底泥、石油矿床、反刍动物的第一胃等地方。SRB不仅具有广泛的基质谱,生长速度快,还含有不受氧毒害的酶系,因此可以在各种各样的环境中生存,保证了SRB有较强的生存能力。

SRB的另一生理特性是硫酸盐的存在能促进其生长,但不是其生存和生长的必要条件。在缺乏硫酸盐的环境下,SRB通过进行无SO参与的代谢方式生存和生长;当环境中出现了足量的硫酸盐后,SRB则以SO为电子受体氧化有机物,通过对有机物的异化作用,获得生存所需的能量,维持生命活动[4]。

2 SRB的生长因子

2.1 碳源

SRB属于异养微生物,即其生长代谢转化硫酸盐需要一定的碳源,这些碳源既是增加生物量所需,又作为供电子体对硫酸盐进行还原异化。

近年来许多研究结果表明,在有硫酸盐存在的条件下,不同的污泥来源、不同的驯化条件得到的生态系统中,利用各种碳源基质的SRB的分布必然有较大差别,从而表现为污泥对于各种碳源具有不同的硝化能力,进而影响到它们对硫酸盐的还原速率。SRB的不同菌属生长所利用的碳源是不同的[5],最普遍的是利用C3,C4,脂肪酸,如乳酸盐、丙酮酸、苹果酸。近20余年来,由于选用不同碳源的培养基,SRB利用的有机碳源和电子供体的种类不断扩大,发现SRB还能利用乙酸、丙酸、丁酸和长链脂肪酸及苯甲酸等。SRB在利用多种多样的化合物作为电子供体时表现出了很强的能力和多样性,迄今发现可支持其生长的基质已超过100种。另外,SRB除了能利用单一有机碳化物作为碳源和能源(化能有机生长)外,还可利用不同的物质分别作为碳源和能源。四川大学的万海清等人[6],以改良的LTH液体培养基为基础,分别用甲醇、乙醇、乙酸、丙酸、乳酸、葡萄糖、正己酸和苯酚作为单一碳源,试验SRB利用碳源的情况。在35℃,pH=6.5的条件下培养,根据培养液中产生H2S的快慢、多少、出现黑色FeS的量,可判定SRB还原转化硫酸盐的效率与对碳源的利用情况。其结果是:SRB能以甲醇、乙醇、乳酸、葡萄糖等有机物作为良好碳源,SRB对它们的消耗速率大小为: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

铵盐是大多数SRB生长所需的氮源。据一些报道,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。1992年,BooPahty分离出一株脱硫弧菌(Desulfovlbroi)能够利用硝酸盐,亚硝酸盐和2,4,6-三硝基苯(TNT)作为氮源和电子受体[7]。

2.3 温度

在废水处理中,SRB对温度的依赖性是多样的、非随机性的。据研究,纯培养的SRB最佳生长温度是30℃左右,但在含硫酸盐废水和各菌群混合共生的复杂体系中,SRB的硫酸盐还原速度不仅仅取决于环境的温度是否为最佳温度,还要受竞争的影响,一般在35℃时,其硫酸盐还原速率最大。

2.4 pH

pH是影响SRB活力的主要因素之一,合适的pH环境对微生物的生长及代谢是必须的。[H+]的高低直接影响硫酸盐还原酶系的构象、性质及生物学活性。主要体现在:

1)pH值引起细胞电荷的变化,从而影响SRB对底物的吸收;2)影响SRB代谢过程中各种酶的活性与稳定性;改变生态环境中底物的可给性以及毒物(如影响H2S的存在状态)的毒性;3)透过细胞膜的有机酸在SRB细胞内重新电离,改变胞内的pH值,影响许多生化反应的进行及ATP的合成。

相对于产酸菌来说,SRB所能忍耐的pH范围较窄。SRB一般不在pH＜6.0的条件下生长,SRB生长最适pH值一般在中性范围内。许多研究表明,纯培养的SRB的最佳工作pH值是6.7左右,而混合培养时,由于菌群间复杂的共生关系,其耐受的pH可以有所降低。当pH值在6.8～7.2之间时,硫酸盐还原效果最好,反应器中的pH值范围为6.0～8.0时,反应器中的硫酸盐还原是可行的[8]。不同的研究者得出的结论也有差异,存在这些差异的原因有细菌本身在一定的环境条件下发生驯化适应作用,反应器中的营养和生长因子比较适宜,细菌之间有互营共生作用,细菌互相粘连而以絮状体形式存在等。

2.5 氧化还原电位

不同微生物对环境中的氧化还原电位的要求差异很大,早期人们认为SRB属于严格厌氧菌,但近期的研究表明SRB在微氧的环境中也能生存,在前面论述过。但总的来说任何SRB均不以O2作为电子受体生长。为保证硫酸盐有效的还原,SRB生长的氧化还原电位(Eh)必须低于-100 mV。氧气(空气)以及氧化态化合物对SRB有着十分强烈的抑制作用[9]。

由SRB能够耐受少量氧气存在(氧气过量使SRB不能生长)的性能可知,SRB菌体内可能存在去除有害活性氧的机制。O2获得电子变成的超氧阴离子自由基就是活性氧的一种形式,它在厌氧菌细胞中可破坏各种生物高分子和细胞膜,也可形成其他活性氧化物,故对生物体十分有害。然而,在兼性耐氧菌胞体内存在解毒除害的超氧化物歧化酶(SOD)与过氧化氢酶等,它们在液体环境下,能将超氧阴离子转变成H2O2后再变为H2O和O2,四川大学的万海清等[6]通过菌团能使H2O2明显释放出O2的实验,证明所用SRB菌体内确实含有H2O2酶。

2.6 可见光(或紫外光)

SRB对光很敏感。在通常的发散日光下,SRB会受到完全的抑制,故SRB有机体必须在黑暗中培养。

3 结语

SRB是一类多样性群体,在厌氧处理反应器中,碳源、氮源、温度、pH、氧化还原电位、可见光等各种生态因子相互影响、相互制约,共同作用于SRB。研究和探讨这些因子,令其在合理的范围内取值,对硫酸盐废水处理有重要的意义。

[1]康凤先,伦世仪.硫酸盐还原—甲烷发酵两步厌氧法处理含高浓度硫酸盐有机废水可行性研究[J].工业水处理,1993,13(1):13-16.

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[3]俞敦义,彭芳明,刘小武,等.环境对硫酸盐还原菌生长的影响[J].材料保护,1996,29(2):1-2.

[4]付玉斌.硫酸盐还原菌诱发腐蚀的研究特点[J].材料开发与应用,1999,14(5):45-47.

[5]李亚新,苏冰琴.硫酸盐还原菌和酸性矿山废水的生物处理[J].环境污染治理技术与设备,2000,1(5):1-11.

[6]万海清,苏仕军.硫酸盐还原菌的生长影响因子及脱硫性能的研究[J].高校化学工程学报,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.