生物脱硫技术研究进展

伍亚琴，雷 军,，王先厚

（1. 江汉大学 湖北省化学研究院，湖北 武汉 430074；2. 华烁科技股份有限公司，湖北 武汉 430074）

硫普遍存在于石油、 天然气等化石燃料中，而这些化石燃料的直接燃烧会产生SOx等物质[1]。SO2是细颗粒物（Particulate matter，PM2.5）的主要前体，排放到空气中会严重污染环境[2]、腐蚀建筑；在工业应用中，硫化物还会使催化剂中毒，影响设备器材的使用寿命，带来不可忽视的直接或间接经济损失。 随着环境保护法的日益严格， 对硫化物脱除深度的要求也越来越高[3]。 传统的加氢脱硫（Hydro-desulfurization，HDS）技术通过使用CoMo或NiMo催化剂对含硫有机化合物进行催化加氢[4,5]，能有效去除硫醇、硫化物、二硫化物， 但对二苯并噻吩（Dibenzothiophene，DBT）及其衍生物，由于空间位阻的原因，脱除效果不理想[6]。 为了达到深度脱硫的标准，需要更高的氢气压力或温度，增加操作成本[7,8]。 因此有研究者开发出了其他可替代的或互补的脱硫方法， 包括离子液体萃取脱硫[9,10]、选择性吸附脱硫[11,12]、氧化脱硫（Oxidative desulfurization，OD）[13,14]及生物脱硫（Biodesulfurization，BDS）[15,16]。 相较于其他脱硫技术，生物脱硫能降低操作成本，且可以产生有工业应用价值的副产品羟基联苯及其衍生物，因此吸引了各国研究者的广泛关注。 本文对生物脱硫技术的机理、途径、主要脱硫菌种以及生物脱硫技术的工业应用进行了综述。

1 生物脱硫技术的机理及途径

生物脱硫（BDS）是一项基于微生物体自身生理代谢的技术， 其通过细菌捕捉吸附特定的硫化合物，这些硫化合物进入细菌体内后，被细菌利用、代谢，以满足自身生长的营养需求[17]。硫化合物最终以硫酸盐形式进入水相，从而达到减少油相中硫化物的含量，实现硫化物脱除的目的。 此工艺在常温常压下即可进行，无需特殊苛刻的反应条件。 本文以DBT为模型化合物对BDS的机理过程、 所用细菌及应用研究进行了总结。

1.1 C-C键氧化裂解

DBT的C-C裂解被称为“Kodama途径”，由Dox酶催化降解DBT，经羟基化、羧基化后，最终代谢为3-羟基-2-甲酰基苯并噻吩（HFBT），具体过程如图1所示。 经此途径脱硫的有革兰氏阴性细菌，如假单胞菌菌株、根瘤菌、伯克霍尔德菌DBT1、多环芳香杆菌Xhantobacter 127W、贝氏菌属、鞘氨醇单胞菌等。 由于Kodama途径破坏了DBT的碳骨架，燃料的热值受到了损失，几乎没有工业应用价值[18]。

1.2 C-S键还原裂解

这一途径跟传统的HDS工艺很相似， 是DBT在还原菌的生理代谢作用下，断裂C-S键，转化成联苯和H2S，DBT的碳骨架得以保留， 具体过程如图2所示。 此过程基本没有氧的存在，所以能在一定程度上避免原料中烃类物质氧化变质，生产出的原料油品质量较高。 但利用此途径脱硫的菌株，脱硫效率不高，难以实现大规模工业化。

1.3 C-S键氧化裂解

C-S键氧化裂解机理如图3所示。 此途径可分为三个阶段：（1）通过氧化硫部分使噻吩环活化裂解；（2）裂解噻吩环得到芳族硫酸酯；（3）除去亚磺酸盐基。 利用此途径的大多是革兰氏阳性放线菌。 以红球菌（Rhodococcus erythropolis）为代表，在DszA、DszB、DszC和DszD四种酶的作用下，脱除DBT中的-S-而不破坏燃料的热值，称为“4S途径”[19]。 DszA和DszC是黄素依赖性单加氧酶， 可氧化DBT中的硫；DszD是为其提供FMNH2的黄素还原酶；DszB是脱硫酶，催化DBT碳骨架中SO2的脱除，以完成脱硫反应[20]。 有研究表明[21]DszD的过表达可以提高红球菌的脱硫效率，Kamali等[22]揭示了DszD序列第62位（苏氨酸）中残基在酶活性中的关键作用，使通过诱变残基来提高生物脱硫效率成为可能。

2 生物脱硫用细菌

硫氧化菌（Sulfur-oxidizing bacteria，SOB）可以将元素硫氧化或将硫化物还原为硫酸盐，是化学自养型细菌，其利用CO2作为碳源和一些含硫化合物（例如S2O32-，S2-和S0）作为细胞生长的能源[23]，常见的有绿硫细菌（Green sulfur bacteria，GSB）、紫硫细菌（Purple sulfur bacteria，PSB）、紫色非硫细菌（Purple nonsulfur bacteria，PNSB）和无色硫细菌（Colorless sulfur bacteria，CSB）。图4为利用16S rRNA 基因序列确定的原核生物物种间的亲缘关系构建的SOB系统发育树[24]。

2.1 绿硫细菌

GSB是一种能够在无氧、 富硫且光照条件极低的环境下生长的专性厌氧菌，有球形、卵形、弧菌形[25]。 其能够利用称为绿体的触角复合物进行光合作用， 主要集光系统是脂质体， 由细菌叶绿素（Bacterial chlorophyll, BChL）c、d或e低聚物组成，绿硫细菌的反应中心（Reaction center，RC）是铁-硫（FeS）型RC，其中铁-硫簇充当电子受体[26,27]，通过利用CO2，将H2S氧化为硫单质，并将产生的硫从胞体中排出，反应式见式(1)[28]。

2.2 紫硫细菌

PSB的光异养能力有限，主要是自养厌氧型，使用还原的硫化物作为电子供体来还原无机碳，常生长于污水、炎热、寒冷、碱性和高盐度等极端环境下的含硫水域中，有杆状、球形、卵形、弧菌形。 PSB对自然界的硫循环有重要意义[29]，其代谢硫化物的过程与GSB略有区别，PSB在将H2S氧化为S0的同时，也进行着S0转化为SO42-的过程， 且产生的硫蓄积在胞内，反应过程如式(2)、式(3)所示。

2.3 紫色非硫细菌

PNSB是产氧细菌，属于门氏杆菌，其生长代谢方式根据其所在的生活环境中可利用的营养素类型以及是否存在氧气、 光照等条件而有所不同，在厌氧或微需氧光照条件下为光合自养和光异养，在厌氧或需氧黑暗条件下生长为趋化营养菌[30]。 具体可分为α 和β 两类，α 类有Rhodobactersp、Rhodopseudomonassp 等，β 类有Rhodocyclussp、Rhodoferaxsp、Rubrivivaxsp等[31]。 在光合作用过程中，硫化物、氢或有机物被用作电子供体[32]。PNSB的色素结构与其他光合作用细菌不同，其集中在光合细胞膜的光收集中心周围[33]，其主要代谢硫化物的过程如下：

2.4 无色硫细菌

CSB具有化学营养性， 以还原的硫化合物作为电子给体， 氧作为电子受体， 根据CSB利用的能源或碳源可分为四类[34-36]：1）专性化能营养型（Obligate chemolithotrophs），通过无机硫化合物的氧化来获得代谢能， 以无机碳为碳源；2） 兼性化能营养型（Facultative chemolithotrophs）， 以无机硫化合物为能源， 同时以无机碳或有机物为碳源进行生长；3）化能异构营养型（Chemolithoheterotrophs），通过氧化硫化物而产生能量， 但依靠有机物来形成碳；4）化学有机异养型（Chemoorganoheterotrophs），主要是异养菌，通过减少代谢产生的过氧化氢来氧化硫。其利用硫化物主要有以下过程：

3 生物脱硫的应用研究

Zhang等[37]讨论了不同类别的表面活性剂对生物脱硫效率的影响，以贵州省六盘水矿区的煤为实验对象，柱浸脱硫系统采用微生物脱硫处理阶段间歇浸出法，用酸性嗜酸芽孢杆菌和酸性嗜酸杆菌硫氧化物的混合培养物对煤进行脱硫，并使用了阴离子表面活性剂（SDS）、阳离子表面活性剂（DTAB）和非离子表面活性剂（吐温20）。 用Eschka法检测总硫含量以计算生物脱硫效率，发现添加吐温20的实验组脱硫率最高，表明在生物脱硫过程中添加适当的表面活性剂可以增强细菌与煤粒的接触，以提高生物脱硫的效率。

Hu等[38]研究了不同的吐温表面活性剂对地面轮胎橡胶（GTR）生物脱硫的影响，使用三种非离子表面活性剂（吐温20、吐温60和吐温80）来改善亲脂性GTR与亲水性微生物之间的亲和力。 通过测量脱硫GTR的脱硫深度、溶胀值和硫含量来评估脱硫效果， 同时测量了脱硫的地面轮胎橡胶/丁苯橡胶（DGTR/SBR）复合材料的物理性能。结果表明，这些吐温表面活性剂均可有效提高鞘氨醇单胞菌属和GTR之间的亲和力，从而提高生物脱硫效率和改善复合材料的性能。 其中吐温20对增强鞘氨醇单胞菌的脱硫效果最佳，经脱硫处理后的橡胶表面层0～4 μm处的硫含量降低了67%， 且脱硫的DGTR/SBR复合材料的拉伸强度和伸长率分别显著提高了11.6%和23.5%。

Dinamarca等[39]研究了天然和合成表面活性剂对脱硫菌株红球菌IGTS8脱硫的影响， 分别测定添加生物表面活性剂（通过对菌株MM1A2H的培养物进行冻干得到的）和添加合成表面活性剂（吐温80）组分的菌株脱硫活性。 结果表明，在催化介质中添加这两种表面活性剂均可以提高DBT和粗柴油的脱硫率；吐温80通过降低界面张力提高了颗粒的迁移率，生物表面活性剂通过形成胶束而增加了硫化底物的溶解度。 但与无毒、可降解的生物表面活性剂相比，合成表面活性剂因其具有一定的毒性而稍降低了脱硫菌株的活性。

Jaykumar等[40]使用Haldane动力学模型，研究了超声处理增强生物脱硫作用的机理。 结果表明，超声和空化产生的微湍流增强了DBT（模型硫化合物）在有机/水相间的传输以及底物和产物跨细胞壁的转运，从而提高了反应速率，且生物脱硫的总米氏常数（Km）和抑制常数（Ki）不受超声处理的影响；研究还表明， 瞬时空化产生的自由基将DBT氧化为DBT-亚砜和DBT-砜（“4S”代谢途径的中间产物）也有助于增强生物脱硫作用。

Yi等[41]以DBT作为模型硫化合物，研究了超声预氧化（UPO）对生物脱硫的影响。结果显示，在BDS工艺之前使用UPO可得到以下结果：（1）UPO/BDS系统中的2-羟基联苯（2-HBP）的浓度快速增加；（2）超声通过将DBT氧化为DBT-砜而在较短时间内除去硫，从而将生物脱硫的“4S途径”从4步缩短为2步，提高了反应速率以及酶-底物间的亲和力，且降低了底物对整个BDS过程的抑制作用。 表明在BDS工艺之前使用UPO可以显著提高生物脱硫效率。

Tang等[42]研究了超声对微生物脱除船用油MFO 380中硫的影响。 结果显示，先经超声波预处理再进行生物脱硫，船用燃油中的硫含量明显降低；还表明超声辐照时间、超声波幅度、生物催化剂的初始浓度以及油相与水相的比例在BDS工艺中也起着重要作用。

Igor等[43]研究了通过添加共底物来提高恶臭假单胞菌CECT5279对DBT的脱除能力。 结果表明，添加短链有机酸（如乙酸，柠檬酸和琥珀酸），能提高细胞内ATP和NADH的浓度以及“4S途径”的所有反应速率。 在分批进料操作中，在共底物浓度为1.5%的情况下使用乙酸可以得到最佳结果。

Fatemeh等[44]提出了生物脱硫与电动动力学结合， 通过利用电流来辅助红球菌PTCC1767（R.erythropolis）和枯草芽孢杆菌DSMZ 3256（B. subtilis）降解模型油（正十六烷与DBT的混合物），研究了电流密度对DBT转化率和脱硫收率的影响。结果表明，电流的加入显著减少了生物脱硫时间，提高了生物脱硫效率。

Ye等[45]研究了L-半胱氨酸对煤表面和生物脱硫的影响，发现L-半胱氨酸的添加明显提高了生物脱硫效率，L-半胱氨酸通过氨基、 羧基和巯基吸附在煤表面和黄铁矿上， 导致形成具有界面-SH基的半胱氨酸-铁配合物，从而促进了硫向脱硫微生物的转移。 当L-半胱氨酸的添加剂量为1.6 g/L时， 效果最佳，去除了85.83%的无机硫。

4 结语与展望

生物脱硫技术是一项环境友好且可与其他脱硫工艺结合互补的极具发展潜力的技术，在其应用方面也有一定的研究，但仍存在以下难题：生物脱硫总速率受传质以及酶促反应缓慢的动力学限制；微生物-油-水混合物的分离过程包括生物催化剂的分离和油/水乳液的分离，增加了操作成本。 目前已尝试使用超声或通过添加相转移剂来增强生物脱硫动力学，以克服传质及动力学限制；构建许多重组细菌，如假单胞菌菌株，以解决生物脱硫过程的主要瓶颈，即Dsz操纵子的表达、Dsz酶的活性、Dsz途径的逆向抑制、对有机溶剂和金属的耐受性等。

但要实现BDS的大规模工业应用， 充分发挥BDS在能源利用和环境保护方面的作用， 还需设计出具有更高催化效率、更宽底物范围且不易受“4S”中间体抑制的Dsz酶来促进含硫化合物的生物降解或转化； 并开发出具有更强的耐热性和溶剂耐受性、更高的硫底物吸收率以及更长寿命的生物催化剂；同时将遗传和代谢水平的研究成果充分应用于现有工艺的动力学建模、双相系统的放大，以提高传质速率。