硫酸盐还原菌处理重金属离子

黄 志，徐建平，马春艳，罗亚楠

(安徽工程大学生物与化学工程学院，安徽芜湖 241000)

高硫煤矿开采中，由于煤层和围岩中含有的硫化物，在化学氧化剂和氧化亚铁硫杆菌作用下，经过一系列地球化学反应产生酸性矿井水AMD(acid mine drainage)。AMD的pH值通常很低，除富含离子和Fe3+离子外，易浸出伴生矿物中的有毒重金属元素，如铅、铜、镉、锌等，对矿业生产、地下水资源及矿区生态环境造成严重危害［1－3］。

自20世纪40年代起，国内外对酸性矿井水(AMD)及其防治进行了大量的研究。对含重金属离子的酸性矿井废水的常见处理方法主要有化学沉淀法、离子交换法、电化学分离法、吸附法、反渗透法及电渗析法等［4］，但这些方法有投资费用高、沉淀去除效果不理想、易造成二次污染等缺点。利用自然界硫循环原理进行厌氧生物处理和原位修复技术具有不需额外提供能量和地面处理系统，不需要其他运行和维护费用，可处理的重金属种类多，无二次污染，处理效率高等优势，近年备受研究者关注，其中利用硫酸盐还原菌(SRB)治理酸性矿山水及重金属污染近年来成为研究热点［5－12］。为了保证SRB对重金属的处理特性，需要探索其最佳处理条件。

本研究以 Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+、Fe2+去除率为考察指标，研究了初始pH值、培养温度、时间、重金属初始浓度对硫酸盐还原菌去除重金属的影响，期望为硫酸盐还原菌原位修复酸性矿井水中重金属离子的进一步研究提供依据。

1 实验

1.1 实验仪器

组合式全温度培养箱(QHZ-123B型)、电子天平(FA1004N型)、实验室pH计(pHSJ-3F型)、高速台式离心机、手提式不锈钢压力蒸汽灭菌器(YX280B)、原子吸收分光光度计(WFX-110型)等。

1.2 菌种和模拟废水

菌种:取自合肥工业大学。

培养基:K2HPO40.5 g、NH4Cl 1.0 g、Na2SO41.0 g、CaCl2·2H2O 0.1 g、MgSO4·7H2O 2.0 g、70%乳酸钠溶液5.0 mL、蒸馏水1 000 mL、抗坏血酸 0.4 g、柠檬酸钠 3.5 g。

模拟重金属矿井水:根据前期关于SRB对重金属离子耐受性研究的实验结果，向培养基中加入不同浓度的重金属离子，各重金属离子的初始浓度见表1，其中组2为考察pH值、温度、时间对硫酸盐还原菌处理重金属离子影响时的初始浓度。实验中，通过 1 mol·L－1HCl和 1 mol·L－1NaOH控制进水pH值。培养基的制备和实验过程中所用的试剂均为分析纯或优级纯药品或试剂。

表1 重金属初始浓度分组

1.3 实验方法

每次取水样200 mL至于500 mL的厌氧反应器中，将前期重金属驯化后的 SRB按投加量2.5%投加于反应器中。定时取水样，4 000 r/min离心30 min，取上清液，稀释一定倍数后进行分析。溶液中的重金属离子用原子吸收分光光度法测定(GB 7475—87)。

2 实验结果及分析

2.1 初始pH值对SRB去除重金属的影响

pH值对SRB的影响是基于氢离子与细胞膜中的酶相互作用的结果，对细胞壁上的酶活性也有一定影响。适宜的pH值对SRB的生长繁殖至关重要。从图 1可以看出，Pb2+、Cu2+、Cd2+、Fe2+、Zn2+去除率与pH值密切相关，且与各重金属离子去除率的影响趋势相近。pH值为7时，去除率最高，分别达到 93.10%、96.70%、87.70%、97.80%、86.70%。当初始 pH值较低时，各重金属离子去除率较低;随pH值增大，各重金属离子去除率均升高。pH值的升高促进了硫酸盐还原菌的大量生长。当pH值达到7时，去除率均达到最高值。随着 pH 值超过 7，Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+去除率均有所下降，说明pH值过高不利于SRB的生长，H2S的产生量减小，使得去除效果下降。而此时Fe2+去除率基本保持不变，分析原因是Fe2+与水中的OH－形成沉淀而已经去除。

图1 初始pH值对SRB去除重金属的影响

2.2 温度对SRB去除重金属的影响

由图2可知:温度在25～35℃，各重金属去除率均较高，其中:Cd2+最适温度为30℃，此时去除率达到 90.20%;Pb2+、Cu2+、Fe2+、Zn2+的最适温度为35℃，此时去除率最高，分别达到95.60%、91.80%、97.20%、91.00%。超过或低于最适温度，其生长代谢能力都会不同程度地受到影响，从而影响其对重金属的去除率。当超过40℃，温度过高，SRB几乎不生长，使得重金属去除效果下降明显。根据已有的关于温度对硫酸盐还原菌生长影响的分类［13］，说明实验所用菌株为中温菌。

图2 温度对SRB去除重金属的影响

2.3 时间对SRB去除重金属的影响

从图3可以看出:随着时间的增加，反应越完全，各重金属离子的去除率越大。这是因为，在其他条件一定的情况下，随时间的增加，微生物生长进入稳定期，菌体大量增长，使得去除效果递增。当 Pb2+、Cu2+、Cd2+、Fe2+、Zn2+的反应时间达到6d后，去除率随时间的增加提高缓慢。综合考虑，取最佳时间为6 d，此时去除率分别为94.50%、94.40%、84.70%、90.80%、84.40%。

图3 时间对SRB去除重金属的影响

2.4 重金属初始浓度对SRB去除重金属的影响

从图4可以看出:随着重金属初始浓度的升高，各离子去除率均降低，当 Pb2+、Cu2+、Cd2+、Fe2+、Zn2+的初始浓度分别达到110 mg/L、50 mg/L、50 mg/L、0.5 g/L 、50 mg/L 后，去除率随初始浓度的增长下降明显，重金属对SRB的抑制作用开始显现，因此去除率呈下降趋势。而在最低重金属初始浓度下，各重金属离子的去除率分别为99.00%、96.70%、92.24%、98.00%、93.80%。

图4 重金属初始浓度对SRB去除重金属的影响

2.5 扫描电镜观察

将未经驯化的SRB和实验所用驯化后保存的SRB菌液转接到含重金属离子的固体培养基中，在35℃恒温密闭避光培养7 d后，分别各挑选一小块SRB菌落进行扫描电镜观察。图6(a)与图6(b)对比显示，实验所用驯化后的SRB菌体形态规则，呈杆状，大小在1～2 μm，较未驯化的 SRB(1.4 ～2.4 μm)大小有所缩短，且四周吸附有色泽光亮的颗粒物，分析应该是SRB将硫酸盐还原成为H2S，H2S与水体中的重金属反应生成金属硫化物沉淀物。驯化后的SRB的中心有色泽稍暗淡的颗粒物，分析是由于SRB新陈代谢过程中通过主动吸收、转化重金属并最终将重金属积存在细胞原生质内的原因。

图5 SRB的电镜照片

3 结论

1)研究了初始pH值、培养温度、时间、重金属初始浓度4个因素对硫酸盐还原菌处理Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Fe2+的影响，确定了最佳的处理条件为:pH=7，T=35℃，t=6 d，初始浓度越低去除率越高。

2)实验表明，在最佳条件下 Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Fe2+去除率分别达到了 99.00%、96.70%、92.24%、98.00%、93.80%，效果比较理想，这说明利用硫酸盐还原菌处理重金属废水是可行的。实验数据可为硫酸盐还原菌处理酸性重金属废水提供基础参数和技术支持，为治理酸性重金属废水提供了一条新的可行的工艺。

［1］NRIAGU J.A history of global metal pollution［J］.Science，1996，272:223 －224.

［2］ESPANA J S，PAMO E L，SANTOFIMIA E，et al.Acid mine drain-age in the Iberian Pyrite Belt(Odiel river watershed，Huelva，SW Spain):geochemistry，mineralogy and environmental implications［J］.Applied Geochemistry，2005，20:1320 －1356.

［3］胡文容，高廷耀.煤矿酸性矿井水除铁研究［J］.中国给水排水，1995，11(1):24 －28.

［4］邱延省，唐海峰.生物吸附法处理重金属废水的研究现状及发展［J］.南方冶金学院学报，2003，24(4):65－69.

［5］李亚新，苏冰琴.利用硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水研究［J］.中国给水排水，2000，16(2):13 －17.

［6］苏冰琴，李亚新.EGSB反应器中SRB污泥颗粒化的工艺特性［J］.中国给水排水，2008，17(24):24 －27.

［7］缪应祺，倪国.硫酸盐还原菌处理高浓硫酸盐废水［J］.中国给水排水，2003，19(7):66 －67.

［8］易正戟，谭凯旋，澹爱丽，等.硫酸盐还原菌及其在工业和矿山废水治理中的应用［J］.云南师范大学学报，2006，26(3):39 －45.

［9］Jong Tong，Parry Pavid L.Removal of sulfate and heavy metals by sulfatereducing bacteria in short-term bench scale upflow anaerobic packed bed reactorruns［J］.Wat Res，2003，37:3379 －3389.

［10］Foucher S.Treatment by Sulfate-Reducing Bacteria of Chessy Acid-Mine Drainage and Metals Recovery［J］.Chemical Engineering Science，2001，56:1639 －1645.

［11］肖利萍，张镭，李月.硫酸盐还原菌及其在废水厌氧治理中的应用［J］.水资源与水工程学报，2011，22(1):45－49.

［12］马晓航，贾小明，赵宇华.用硫酸盐还原菌处理重金属废水的研究［J］.微生物学杂志，2003，23(1):36－39.

［13］张小里，刘海洪.硫酸盐还原菌生长规律的研究［J］.西北大学学报:自然科学版，1999，29(5):397－402.