硫酸盐还原菌处理含硫酸盐有机废水的原理及其应用

吴庆庆,邱贤华,熊贞晟,陈素华

(南昌航空大学江西省持久性污染物控制与资源循环利用重点实验室，江西 南昌 330063)



硫酸盐还原菌处理含硫酸盐有机废水的原理及其应用

吴庆庆,邱贤华,熊贞晟,陈素华

(南昌航空大学江西省持久性污染物控制与资源循环利用重点实验室，江西 南昌 330063)

含硫酸盐有机废水多元污染物并存，严重影响水体生态环境，危害人体健康，是目前水污染控制领域面临的难题与关注的焦点。在目前所采用的生物法水处理中，硫酸盐还原菌(SRB)是降解该类废水的关键微生物。重点阐述了SRB处理含硫酸盐有机废水的原理和相关技术的研究进展，详细介绍了SRB的分类、相关检测技术及其在水处理领域的应用现状和存在的问题，并通过分析SRB在醇类、羧酸、烃类和大分子有机物降解方面的应用，指出将硫酸盐最终转化为单质硫并回收高纯度硫是SRB处理含硫酸盐有机废水今后的发展方向。

含硫酸盐有机废水；硫酸盐还原菌(SRB)；碳硫共脱除

1 硫酸盐还原菌处理含硫酸盐有机废水的原理

去除水中有机物最有效的方法是利用微生物的降解作用。废水中有机物种类很多，微生物降解它们的途径各异，但概括起来，有机物都是作为基质被异养型微生物降解。根据电子受体的差异，微生物降解有机物的途径主要有以下4种：

[CH2O]+O2→CO2+H2O

ΔG=-480 kJ/mol[CH2O]

(1)

(2)

(3)

(4)

以上(1)式是好氧过程(oxic)，(2)、(3)式由于电子受体是含氧酸根，为缺氧过程(anoxic)，(4)式是典型的厌氧过程(anaerobic)。在环境工程领域，相对于好氧(1)式、反硝化(2)式、厌氧(4)式，硫酸盐还原(3)式的研究受到重视的程度不够，时间也较短。由于硫酸盐还原过程处于热力学的劣势(吉布斯自由能ΔG远小于好氧和反硝化)，反应过程无溶解氧，早期的研究常将其作为厌氧过程的一部分；同时，反应产生的H2S属恶臭气体，对产甲烷过程有抑制作用，早期的研究多注重对这一过程的抑制。经过不断的研究，人们逐渐认识到这一反应可以去除硫酸根和含碳有机物，生成的H2S还可以去除水中的重金属离子。

2 硫酸盐还原菌的研究进展

2.1 硫酸盐还原菌的分类

SRB是一类代谢谱较宽的广食性微生物，对硫元素和碳元素的生物地球化学循环起着关键作用。SRB形态多样，生存能力很强，广泛存在于土壤、河流、海洋等主要发生微生物分解作用的水陆环境。1984年出版的《贝氏(Bergey’s)系统细菌学手册》把所有的能还原硫酸盐或元素硫的细菌归为8个属：Desulfovibrio、Desulfomonas、Desulfobulbus、Desulfotomaculum、Desulfococcus、Desulfobacter、Desulfosarcina、Desulfonema。此后，随着生物技术的进步和分类方法的改进，近20多年分离和命名了大量新的属、种。2004年出版的《Bergey’s系统细菌学手册》记载的这类细菌已有7个目(Desulfarcales、Desulfobacteraceae、Desulfovibrionaceae、Desulfurellaceae、Desulfurococcaceae、Desulfuromonaceae、Thermodesulfobacteriaceae)，12个科(Desulfarculaceae、Desulfobacterales、Desulfobulbacea、Desulfohalobiaceae、Desulfomicrobiaceae、Desulfonatronumaceae、Desulfovibrionales、Desulfurellales、Desulfurococcales、Desulfuromonales、Thermodesulfobacteriales、Thermodesulfobiaceae)，48个属，171个种。

SRB可分为自养型和异养型两大类型，异养型SRB通常是严格厌氧菌。根据代谢类型的不同，SRB可分为两大主要类型：Ⅰ类SRB可将其能量来源氧化为乙酸盐并作为最终的分泌产物；Ⅱ类SRB则可将有机物完全氧化为CO2[4]。根据所利用的底物，可将SRB分为三类：①氢营养型硫酸盐还原菌(HSRB)；②乙酸营养型硫酸盐还原菌(ASRB)；③高级脂肪酸营养型硫酸盐还原菌 (FASRB)[5]。

随着进一步的研究，对 SRB 的类群做了更详细的分类，把SRB分为四大类，分别是：嗜热的古(Thermophilic Archaeal)SRB、嗜热(Thermophilic Bacterial)SRB、革兰氏阳性产孢子(Gram-positive Spore Forming)SRB 和革兰氏阴性嗜温(Gram-negative mesophilic)SRB[6]。随着分子生物学技术的发展，Kristian等[7]采用 PCR 分析方法将 SRB 的种类分为六大类群，分别是：脱硫肠菌属(Desulfotomaculum)、脱硫叶菌属(Desulfobubus)、脱硫杆菌属(Desulfobacterium)、脱硫细菌属 (Desulfobacter)、脱硫球菌-脱硫线菌-脱硫八叠菌属(Desulfococcus-Desulfonema-Desulfosarcina)和脱硫弧菌-脱硫微菌属(Desulfovibrio-Desulfomicrobium)。根据Alexander等[8]对SRB的最新分类,可将SRB分为细菌界和古细菌界两大类，而在这两类中又以细菌界占主导地位。

2.2 硫酸盐还原菌的检测方法

SRB的检测方法主要分为三大类：基于特征化合物的检测方法、基于遗传标记物的分子生物学检测方法和基于细胞的检测方法[9]。基于特征化合物的检测方法包括MPN法[10]、琼脂深层培养法[11]、融化琼脂管法[12]以及SRB特征化合物及代谢产物(S2-、S及APS辅酶等)的直接测定法[13-15],该类检测方法过程繁杂，很难对分离物进行精确鉴定并反映SRB发育的状况，导致SRB多样性的信息失真。随着分子生物学的迅速发展，基于遗传标记的分子生物学检测技术目前已十分成熟，聚合酶链反应(PCR)[16]、核酸分子杂交[17]、限制性片段长度多态性(RFLP)[18]和变形梯度凝胶电泳(DGGE)[19]等技术已广泛运用于SRB的检测，该类分子生物学检测技术能够快速、准确地检测复杂环境中的SRB，但在灵敏度、实用性和操作简单等方面存在一些不足。而基于细胞的检测方法则很好地弥补了上述方法的不足，该类检测方法包括酶链免疫吸附测定[20]、荧光抗体技术[21]和生物传感器技术[9]等。总之，SRB检测技术的发展对于环境质量的控制和微生物废水处理具有重要意义。

3 硫酸盐还原菌处理有机废水的应用现状

3.1 醇类有机物的降解

3.2 羧酸类有机物的降解

近30年来，SRB能够利用的有机碳源和电子供体的种类不断增加，大量试验研究发现甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸和长链脂肪酸及苯甲酸等羧酸类有机物也可作为SRB的能源和电子供体[28]。其中，乳酸是优先选择的电子供体，可以供多种 SRB生存所需，促进系统中微生物多样性，保持系统稳定[29]。乳酸生物降解后生成挥发性脂肪酸，如乙酸、丙酮酸、丙酸和丁酸[30]。硫酸盐废水厌氧生物处理过程中，SRB和产甲烷菌(MB)会竞争利用乙酸，乙酸是有机物厌氧分解过程中关键中间产物，以乙酸为碳源的硫酸盐还原反应效果显著[31]。丙酸和丁酸是硫酸盐还原过程中重要的发酵产物，可通过SRB与其他细菌的协同作用或直接被SRB降解[32]。

Cao等[33]研究了不同的挥发性脂肪酸(甲酸、乙酸、丙酸、乳酸、苹果酸、丙酮酸)作为SRB的电子供体对SRB活性的影响，结果表明：6种挥发性脂肪酸均可作为SRB的底物，并能够将硫酸盐有效还原。其中以甲酸为电子供体的SRB活性最强，硫酸盐还原率达到97%。SRB降解小分子挥发性脂肪酸的机理十分复杂，主要可概括如下[34]：

此外，Widdel等[36]研究发现Desulfonemalimicolagen.nov.,sp.nov.能够以多达14个碳的长链脂肪酸作为碳源和电子供体，Desulfonemamagnumsp.nov.能够降解多达10个碳的长链脂肪酸，如琥珀酸、延胡索酸、苹果酸、4-羟基苯酸、马尿酸、苯乙酸和3-苯丙酸等。

3.3 烃类有机物的降解

微生物降解烃的过程实际上就是微生物参与的一系列氧化还原反应，烃类物质进入细胞膜后，主要通过三种类型的氧化还原体系被降解，包括好氧呼吸、厌氧呼吸以及微生物发酵。通常环境中烃类物质的降解是由多种烃类降解微生物协同完成的，尤其像多环芳烃等这些复杂结构的烃类，都是通过微生物的共代谢作用完成降解。降解烃类的微生物在自然界中分布广泛，其在土壤、湖泊、海洋等环境中都能被分离出来。Olaf等[37]从海洋烃类污染环境中分离得到了一种具短链烃类降解活性的SRB，富集培养后进行降解试验，结果表明：SRB能够以乙烷、丙烷和丁烷作为生长基质还原硫酸盐。其反应式如下：

Aeckersberg等[38]分别从油槽和海洋沉积物中分离得到了一株可利用长链烷烃的SRB，并分别命名为Hxd3和Pnd3，Hxd3菌株可降解长链烷烃的范围为C12～C20，Pnd3降解的范围为C14～C17。Cravo等[39]从烃类污染的海洋沉积物中分离得到了一株名为CV2803T的SRB(Desulfatibacillumaliphaticivoransgen.nov.,sp.nov.)，通过构建水生微宇宙，在24 g/L NaCl、pH值为7.5、温度为28～35℃的条件下，研究了SRB对烃类的降解作用，结果表明：CV2803T菌株能够氧化长链烷烃(C13～C18)和烯烃(C7～C23)。So等[40]从石油污染的湖泊沉积物中分离了一株能够降解烷烃(C13～C18)、脂肪酸(C4～C16)、烯烃(C16～C16)和烯醇类(C15～C16)的SRB。冀忠伦等[41]采用PCR-DGGE技术在长庆油田原油集输系统中发现了能够稳定生长的5种SRB。大量研究发现，SRB能够降解甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯，邻乙基甲苯、乙苯、萘、四氢化萘、2-甲基萘等芳香烃类有机物[42-43]。其反应式为

3.4 大分子有机化合物的降解

SRB不能直接降解大分子有机化合物，如淀粉、纤维素、蛋白、核苷酸(DNA、RNA) 和脂肪等，但可通过与其他微生物的共代谢作用完成降解[44]。蛋白质、多糖及脂肪等大分子有机化合物首先通过水解性细菌分别水解成为氨基酸、单糖和长链脂肪酸等单体；随后，这些单体在发酵性细菌的作用下分解为乙酸、丙酸、乳酸、丁酸和H2等，从而被硫酸盐还原菌有效利用。

4 存在的问题

自20世纪70年代起国外开始采用单相厌氧工艺处理高浓度硫酸盐废水，但由于SRB对产甲烷菌(MPB)产生的初级抑制作用以及硫酸盐还原产生的H2S对MPB和其他厌氧菌的次级抑制作用，反应器运行成功的实例很少。针对单相厌氧工艺中SRB还原硫酸盐所产生的不利影响，很多学者自 20 世纪 90 年代起提出了多种改进工艺，包括硫酸盐还原与硫化物光合氧化联用工艺、单相吹脱工艺、硫酸盐还原与硫化物化学氧化联用工艺、两相厌氧工艺、生物膜法工艺、两相厌氧与硫化物生物氧化联用工艺等[51-52]。目前，采用两相厌氧工艺处理硫酸盐废水已得到诸多共识，但是还原性硫化物的释放是厌氧处理高价含硫化合物废水时伴生的主要问题，即硫酸盐作为电子受体被SRB还原为硫化物(包括H2S、S2-和HS-)，由于硫化物的强腐蚀性、高毒性、恶臭和高耗氧量等问题，必须采取有效措施控制其向环境中的排放量。此外，SRB处理有机废水的过程中会产生大量的有机中间产物，从而导致有机废水处理效率低下，不能满足对水质要求较高的污水处理。

对于含硫酸盐有机污水，理想的处理方式是将硫酸盐最终转化为单质硫并回收高纯度硫，从而实现污水达标治理的同时获得可利用资源的目标。Wang等[53]在提出碳氮硫同步脱除工艺系统概念的基础上，首次提出了一体式碳氮硫同步脱除工艺，即将有机物、硫酸盐及硝酸盐的去除集成在一个反应器内，同时累积单质硫，从而形成高度集成的工艺模式，以进一步降低高浓度含硫废水处理工艺系统的复杂性，降低运行和操作费用。但是，在一体式系统中，由于微生物之间的次级抑制作用，导致无论在高硫氮负荷还是低硫氮负荷下自养反硝化脱硫细菌均很难发挥最佳效能。同时，在生物转化脱硫过程中实现单质硫的高效转化及单质硫提取回收的资源化技术途径还有所欠缺，尚需在工艺操作方面进行大量的深入研究。因此，如何消除硫化物对厌氧微生物的抑制作用，又可在同一个反应器内实现从硫酸盐到单质硫的转化，并去除有机物是后续研究中的重点内容。

随着分子生物学技术的发展，SRB的生态多样性、生理学及其生物化学研究逐渐深入。但是，目前的研究仍停留在基础阶段，SRB代谢机制的研究至今仍不够透彻。同时，SRB种类繁多，而应用到实际废水处理中的SRB仅占极少部分，目前该方面的研究主要集中在少数几种代表性的微生物，如Desulfovibriodesulfuricans、Desulfovibriovulgaris和Desulfovibriogigas等。

5 结论与展望

目前关于SRB的研究主要侧重于硫酸盐的还原，鉴于SRB生长基质的多样性，以工业有机废水、生活污水、有机废弃物中有机质作为电子供体，以达到有机物和硫酸盐的同步去除，是今后硫酸盐废水处理的一个发展方向。

SRB处理含硫酸盐有机废水的技术已经比较成熟，但其代谢产物较为复杂，今后应运用新工艺对其进行深度处理，以进一步提高出水水质。同时，针对SRB和硫酸盐有机废水的特点，需进一步突破传统的生物脱硫概念与技术，开发出集硫酸盐还原—有机物氧化—单质硫分离于一体的工艺及设备，为含硫酸盐有机废水的处理和资源化提供新的途径。

随着生物技术的不断发展，SRB处理高浓度有机废水的技术在实际中将得到广泛应用，如用遗传学的方法改造以获得高活性菌株，用不同SRB以及SRB与其他菌的协同作用提高废水硫酸盐和有机物的去除率并改善出水质量等。可见，SRB的开发与利用将具有广阔的发展前景。

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Theory and Research Progress of Organic Wastewater Containing Sulphate Treated by Sulphate-reducing Bacteria and Its Application

WU Qingqing,QIU Xianhua,XIONG Zhenshen,CHEN Suhua

(KeyLaboratoryofJiangxiProvinceforPersistantPollutantsControlandResourcesRecycle,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

Because of the production of sulphide,which is highly reactive,corrosive and toxic,organic wastewater containing sulphate is one of the focus in the control of water pollution.Sulphate-reducing bacteria (SRB) are anaerobic microorganisms that use sulphate as a terminal electron acceptor by degrading organic compounds,which plays an important part in the treatment of sulphate-containing wastewater.SRB have been studied for more than 100 years,but it is only with the emergence of new genomic techniques and molecular biology that we have begun to obtain accurate information on their way of life.Therefore,this paper intends to provide a research review of mechanism and methods for treatment of organic wastewater containing sulphate by SRB,particularly introduces the classification of SRB and its application in organic wastewater treatment and proposes the application prospects of SRB after the analysis of its application in alcohol,carboxylic acid,hydrocarbon and organic macromolecules wastewater treatment.Finally,the paper gives a discussion on the problems of the treatment of organic wastewater containing sulphate by SRB.To realize resource utilization,future research should break through the traditional concept of bio-desulfurization and contend to develop a high efficiency process for the simultaneous removal of organic compounds and sulfate, and control the elemental sulfur production as a final product.

organic wastewater containing sulphate;sulphate-reducing bacteria(SRB);simultaneous removal of carbon and sulphur

李义连(1965—)，男，教授，博士生导师，主要从事地表水及地下水污染控制与修复以及温室气体的地质解决方法等方面的研究。E-mail：yl.li988@yahoo.com.cn

1671-1556(2015)01-0090-07

2014-05-06

2014-11-21

南昌航空大学博士启动基金项目(EA200602029)；江西省持久性污染物控制与资源循环利用重点实验室开放基金项目(ST201322008)；南昌航空大学研究生创新专项资金项目(YC2013008)

吴庆庆(1989—)，男，硕士研究生，主要研究方向为水污染控制。E-mail：1005330340@qq.com

X703

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.016