硫酸盐还原菌对硫酸盐与亚硫酸盐共代谢作用性能研究

[摘要]我国是以煤炭为主要一次能源的国家，煤炭消耗量占总量的59%，煤炭在燃烧的过程中可燃硫会生成硫氧化物排放到大气中，烟气中的SO2是形成酸雨的主要物质，因此国内外均采用了相应的控制措施。在生物脱硫中，烟气中硫氧化物（SO2）经过化学吸收及氧化易形成SO32-/SO42-，再由硫酸盐还原菌（SRB）还原生成硫化物而实现烟气脱硫。本实验研究通过其产物量变化推断SRB对亚硫酸盐的代谢作用历程，并判断SRB在中性条件下对亚硫酸盐与硫酸盐的共代谢情况。研究表明：SRB在还原过程中，亚硫酸盐更容易被还原;在碳硫比为0.49条件下，亚硫酸盐与硫酸盐进行单独代谢，不存在协同作用;经过理论分析，提供了在碳源充足情况下SRB对硫酸盐与亚硫酸盐的共代谢作用研究的可信性分析。

[关键词]烟气脱硫;SRB;亚硫酸盐还原;硫酸盐还原

1 引言

我国目前是以利用煤炭为主要一次能源的发展中国家，在2018年所用于能源消耗用的煤炭总量达到了约46.4亿吨的标准燃煤量，由煤炭提供的能源消耗的量大约占总量的59%[1]，煤中矿物质的含硫从结构外形状态上可分为两大类一类为有机硫，另一类为无机硫，无机硫大都以无机矿物质状态存在。

煤炭在高温燃烧的过程中，可燃性的硫化物会生成硫氧化物随着烟气的上升进入到了空气中，燃烧后烟气产生中的SO2是大气中形成酸雨的主要前体可溶酸性物质，在于空气中的水分接触后会产生硫酸，降低水分的pH值，直至造成pH值比5.6小的酸性降雨，國内外均针对该现象广泛采用了其相应的烟气脱硫控制措施。目前常用的控制烟气的方法有：石灰石/石灰湿法、烟气脱硫循环流化床法、喷雾干燥法、海水烟气脱硫流化床法和利用微生物湿法烟气脱硫[2]等。根据赵毅[3]的研究，近年来，人们充分运用目前自然界已经广泛存在的各种烟气脱硫生物和细菌，进行了对微生物脱硫的相干理论的钻研和运用技术的研发。主要是通过高效的微生物脱硫反应器技术达到单质硫的回收，在有效地控制了SO2排放的同时，实现了烟气脱硫废物的资源化。使用该方法进行烟气脱硫具有效率高、能耗低、无二次污染等的特点。应用SRB来运行微生物湿法烟气脱硫的过程中，SO2经过化学吸收之后进入液相，产物转化成SO32-和价的SO42-，同时存在两种价态的硫元素，即+6价的硫和+4价的硫，在SRB对其共同代谢时的作用关系对脱硫效率可能存在较大影响影响。

2 脱硫技术概述

脱硫技术的应用根据处理硫的前后不同可以将其细分三类分别为燃烧前、燃烧中和燃烧后脱硫，平时我们所谓的烟气脱硫即是其中的燃烧后脱硫。

2.1 燃烧前脱硫

燃烧前脱硫技术主要是指煤气化和选煤等技术，按其主要工作原理大致可以将其细分三类，分别为物理法、化学法和生物法[4]。

2.2 燃烧中脱硫

燃烧中脱硫是指在煤的燃烧过程中进行脱除硫分，通常采用的方法是在煤在炉内进行燃烧的过程中向燃烧炉内适当的位置来进行脱硫剂的喷入，目前脱硫设施中应用以石灰石、白云石为原材料的脱硫剂的居多，也有利用熟石灰、生石灰的。

2.3 燃烧后脱硫

在所有烟气脱硫技术中最为成熟的为湿法烟气脱硫技术， 尽管其脱硫率相对较高， 可达90 %以上[5]， 脱硫剂利用率高， 但是该法设备昂贵、运行费用大，因此只在一些发达国家得到应用。

根据赵毅[6]的研究，近年来国内外的科研人员利用自然界已存在的各种脱硫菌， 进行了微生物脱硫的基本理论和脱硫技术的研究。

生物脱硫就是利用SRB将两种盐还原为硫化物进而处理[7]。因此从湿法脱硫角度考虑，金小达[8]等的将二氧化硫转化为硫化氢，再将硫化氢转化为单质硫进行循环回收是较为环保的选择。

微生物湿法与其他脱硫方法相比，其主要的优点是脱硫效率高[9]，该法所用脱硫设备简单，占地面积小，成本低，能耗低，且由于该法是微生物代谢脱除硫，反应过程中无任何二次污染，是一种较为清洁的天然脱硫方法;但是该脱硫方法的缺点是由于反应由生物代谢完成，反应速度受到生物代谢速度的影响有所限制，一般反应时间较其他脱硫方法所耗时间长。

3 实验方法

本研究所用所用SRB培养基为改进的Postgate’s C[10]培养基，其中硫酸盐被亚硫酸盐与硫酸盐按比例替代，其含量降低至相应含量的1/2，遵循不改变其中总S含量来配置，其余营养物质降至相应含量的1/4，贮于厌氧瓶中，利用N2充气10min来赶走培养基中氧气，实现相对厌氧的环境。

配置好培养基后调整pH至7，采用厌氧瓶进行培养，每瓶200ml。利用N2充气10min来赶走培养基中氧气，实现相对厌氧的环境，放入恒温培养箱中预热1小时，接种比例固定为1：10，接种后放入恒温培养箱中培养。

控制总硫的质量不变，将硫酸盐与亚硫酸盐的比例分别设置为1：0、3：1、1：1、1：3、0：1，对硫化物、亚硫酸、硫酸盐、pH值、产气量等指标进行检测。其中硫化物的测定采用亚甲基蓝分光光度法，亚硫酸盐的测定采用甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法，硫酸盐的测定采用铬酸钡分光光度法。

4 实验结果与讨论

4.1 实验结果

从图1可看出，在1：0、3：1、1：1、1：3四个厌氧瓶中亚硫酸盐不断被消耗，1：3在第三天厌氧瓶中亚硫酸盐就被消耗殆尽，1：0、3：1、1：1在第五天厌氧瓶中亚硫酸盐被消耗殆尽，0：1培养瓶中一直未有亚硫酸盐生成，因此该SRB菌种不能先将硫酸盐转化为亚硫酸盐在进行进一步反应。

从图2中可以看出，硫酸盐的含量基本都保持在一个较高的水平，甚至在1：1和3：1的瓶中发现硫酸盐含量逐渐增高的现象，结合在1：0的瓶中未加入硫酸盐，但是在第6天后检测发现瓶中含有大量硫酸盐，通过对比观察图1、2、4发现各瓶中均有硫化物生成，均有产气，且pH值始终保持在7左右，SRB代谢较为正，但是硫酸盐含量却存在较大出入，考虑是在SRB在还原过程中有某中间产物能够与钡离子络合，形成沉淀使铬酸钡分光光度法测试不准。

从图3可看出，1：0瓶中转化率最高，结合图3-7说明在SRB还原亚硫酸盐过程中硫酸盐没有起到作用，SRB对亚硫酸盐更为敏感，在还原硫酸盐、亚硫酸盐过程中互相没有太大影响。

从图4可看出，比例为1：0、3：1、1：1的三个培养瓶在第一天并没有优先产生硫化物，反而是1：3和0：1的兩个培养瓶中优先产生了硫化物，1：0、3：1、1：1三个瓶中硫化物最终产量比1：3和0：1大，SRB菌种不能直接把亚硫酸盐转化为硫化物。蔡靖[11]的研究中说明亚硫酸盐至硫化氢的还原途径可能为：三个连续的双电子传递，形成连三硫酸盐和硫代硫酸盐（3SO32-→S3O62-→S2O32-→S2-）;很可能在还原亚硫酸盐过程中生成了中间产物。反应过程中的波动原因可能是由于瓶中亚硫酸盐浓度的变化使水中的硫化物释放到上方空气区影响其浓度。

从图5可看出，五个厌氧瓶中都逐渐产生气体，该气体用针管吹至湿润过的醋酸铅试纸上，试纸变成黑色，结果为阳性，证明气体中含有H2S，其中3：1最终产气量最多。

从图可看出，五个厌氧瓶pH一直稳定在7左右。

5 改变碳源量对共代谢情况影响的可能性论证

目前许多研究认为微生物有两种还原方式对无机硫化物进行还原[12]。一种是微生物同化型硫酸盐还原作用，这种方式下，硫酸盐还原的产物直接用于合成有机的细胞内物质;另一种还原方式是微生物异化型硫酸盐还原作用，这种还原方式是SRB特有的获取能量的进行厌氧呼吸的方式，是电子传递、有机物在厌氧条件下氧化、能量储存与硫酸盐还原相互耦联的过程，这个过程需要一系列的酶参与。

Postgate[13]在1969年证实了硫酸盐还原菌还原反应的最初几步，现已公认的反应原理如下： （HS-/S2-）

由过程可见，SRB可将SO42-通过硫酸腺苷酶转移酶转化为APS，再通过腺苷酶硫酸还原酶转化为SO32-最后由亚硫酸盐还原酶转化为硫化物。

本实验所用SRB属于异养型硫酸盐还原菌，其通过异化作用还原硫酸盐过程中碳源是不可或缺的物质之一[14]，其中碳源种类和碳硫比是影响代谢的重要因素。本实验碳源采用的是乳酸钠，培养基中碳硫比约为0.49。

根据下式可进行碳硫比的计算[15]：

在异养型硫酸盐还原过程[16]中乳酸被SRB摄入体内后，首先在乳酸脱氢酶的作用下会逐渐生成丙酮酸、H+和e-，2H+和2e-在膜结合细胞质内的氢化酶的作用下会产生H2并穿过细胞膜扩散到细胞周质;随后丙酮酸裂解会生成乙酸和二氧化碳，同时通过底物水平磷酸化，产生ATP，产生的电子同样在膜结合细胞质内的氢化酶的作用下生成H2进入细胞周质;周质中的H2作为电子供体在周质氢化酶的作用下发生氧化，并将电子传递给SRB特有的电子受体蛋白。而H+释放到周质中会形成周质与细胞质之间的H+离子浓度梯度，推动ATP合成酶产生ATP;电子受体蛋白将电子传递给膜结合的电子传递复合体，复合体将电子跨膜传递给硫酸还原所相关的酶，从而进行硫酸盐的还原。

在整个还原过程中，碳源的量是极其重要的，根据陈平1996年的研究[17]，碳硫比会对SRB还原硫酸盐产生产生直接影响，碳源量会影响着电子供体的量，影响着SRB对硫酸盐还原的过程。根据高凯的研究[18]，当碳硫比大于3.0时，硫酸盐转化率均达到了72%以上，在碳硫比在4.4时转化率最高达到了95.75%。但是在碳硫比在4.4时，硫酸盐的去除量相对较低，经比较最佳的碳硫比为3.0，此时硫酸盐去除量超过830mg/L。

本实验中采用的培养基为改进的 培养基，其中乳酸钠的含量降低为原培养基的1/4，碳硫比约为0.49，此时乳酸钠含量较低时，会影响SRB的ATP合成，进而影响SRB还原硫酸盐。从4.2中图6可以看出，当亚硫酸盐与硫酸盐比值在0：1时，转化率只有17.7%，相对较低，其原因可能是碳源含量较低，影响SRB 的ATP合成，其电子供体相对较少，影响了其转化率。

根据任南琪的硫酸盐还原能量学[19]，硫酸盐在还原的第一步是硫酸盐的活化，这是一个吸能反应，硫酸盐活化的能量相当于两分子ATP水解为ADP所释放的能量，这是亚硫酸盐还原所没有的一个步骤，因此相对于硫酸盐，在SRB的亚硫酸盐还原酶作用下，亚硫酸盐相对更容易被还原。致使在低能量环境下SRB 对硫酸盐与亚硫酸盐共代谢情况产生偏差，影响了判断。

因此，当加大碳源，可能会存在着SRB对硫酸盐与亚硫酸盐的共代谢的协同作用。

6 结论与展望

（1）在碳硫比为0.49条件下的菌种作用下，亚硫酸盐与硫酸盐同时存在时，亚硫酸盐与硫酸盐进行单独代谢，不存在协同作用。

（2）由于SRB体内的亚硫酸盐还原酶作用使得其对亚硫酸盐还原作用比硫酸盐更容易。

（3）在硫酸盐还原过程中，硫酸根离子直接被SRB还原为硫化物，而未经过亚硫酸盐这个中间产物环节。

（4）本实验暂时还未验证中间产物具体是什么，由于试验条件有限，只推断中间产物是一种生物有机分子，暂不做进一步的探究，希望以后在有条件的时候能够进一步的深入研究。

开展此项研究为今后将SRB应用到烟气SO2的脱除提供了数据支持。

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作者简介：刘寅 ：199709：男：河南省邓州市：汉：本科：助力工程师：中石化江汉石油工程有限公司环保技术服务公司

研究方向：环境工程