硫酸鹽還原菌的生長因子的探討

梁 宇

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展,人類對礦產(chǎn)資源的需求量日益增長,在礦產(chǎn)資源開采和加工過程中所產(chǎn)生的工業(yè)廢水排放量也隨之增加。由此產(chǎn)生的環(huán)境問題亦愈加嚴重,其中礦山廢水中污染范圍最廣、危害程度最大的是礦山排放的酸性廢水,因其硫酸鹽含量高、pH值低、酸度大,且含有大量的重金屬,一般都不能直接循環(huán)利用,而通常是未經(jīng)處理就地排放,由此造成的環(huán)境污染危害極為嚴重,不僅破壞生態(tài)環(huán)境,而且會影響到人們的身體健康[1]。因此如何處理含硫酸鹽酸性礦山廢水已成為一個很重要的問題。

微生物法處理含硫酸鹽酸性礦山廢水的實質(zhì)是利用自然界中的硫循環(huán)反應原理,利用硫酸鹽還原菌(Sulphate Reducing Bacteria,SRB)將SO還原為H2S并進一步通過生物氧化作用將H2S氧化為單質(zhì)S的過程。其中因微生物法具有費用低、適用性強、無二次污染,可回收副產(chǎn)品單質(zhì)硫等優(yōu)點,已成為酸性礦山廢水處理技術(shù)的熱門課題。

SRB通常指的是能通過異化作用進行硫酸鹽還原的一類細菌。近年來人們已經(jīng)較成功掌握了15個種屬,其中用于廢水處理的有9個屬,主要的2個屬為 Desulfovibrio和 Desulfotomaculum,二者均為革蘭氏陰性菌。SRB的一個重要生理特征是生長力強[2]。它廣泛存在于水田、湖、沼、河川底泥、石油礦床等自然界中。

本文主要討論硫酸鹽還原菌的影響因素。

1 SRB的基本特性

SRB是在無氧狀態(tài)下,用乳酸或丙酮酸等有機物作為電子供體,用硫酸鹽作為末端電子接受體而繁殖的一群偏性兼氣性細菌[3]。

SRB的一個重要生理特征是生長力強。它廣泛存在于水田、湖、沼、河川底泥、石油礦床、反芻動物的第一胃等地方。SRB不僅具有廣泛的基質(zhì)譜,生長速度快,還含有不受氧毒害的酶系,因此可以在各種各樣的環(huán)境中生存,保證了SRB有較強的生存能力。

SRB的另一生理特性是硫酸鹽的存在能促進其生長,但不是其生存和生長的必要條件。在缺乏硫酸鹽的環(huán)境下,SRB通過進行無SO參與的代謝方式生存和生長;當環(huán)境中出現(xiàn)了足量的硫酸鹽后,SRB則以SO為電子受體氧化有機物,通過對有機物的異化作用,獲得生存所需的能量,維持生命活動[4]。

2 SRB的生長因子

2.1 碳源

SRB屬于異養(yǎng)微生物,即其生長代謝轉(zhuǎn)化硫酸鹽需要一定的碳源,這些碳源既是增加生物量所需,又作為供電子體對硫酸鹽進行還原異化。

近年來許多研究結(jié)果表明,在有硫酸鹽存在的條件下,不同的污泥來源、不同的馴化條件得到的生態(tài)系統(tǒng)中,利用各種碳源基質(zhì)的SRB的分布必然有較大差別,從而表現(xiàn)為污泥對于各種碳源具有不同的硝化能力,進而影響到它們對硫酸鹽的還原速率。SRB的不同菌屬生長所利用的碳源是不同的[5],最普遍的是利用C3,C4,脂肪酸,如乳酸鹽、丙酮酸、蘋果酸。近20余年來,由于選用不同碳源的培養(yǎng)基,SRB利用的有機碳源和電子供體的種類不斷擴大,發(fā)現(xiàn)SRB還能利用乙酸、丙酸、丁酸和長鏈脂肪酸及苯甲酸等。SRB在利用多種多樣的化合物作為電子供體時表現(xiàn)出了很強的能力和多樣性,迄今發(fā)現(xiàn)可支持其生長的基質(zhì)已超過100種。另外,SRB除了能利用單一有機碳化物作為碳源和能源(化能有機生長)外,還可利用不同的物質(zhì)分別作為碳源和能源。四川大學的萬海清等人[6],以改良的LTH液體培養(yǎng)基為基礎(chǔ),分別用甲醇、乙醇、乙酸、丙酸、乳酸、葡萄糖、正己酸和苯酚作為單一碳源,試驗SRB利用碳源的情況。在35℃,pH=6.5的條件下培養(yǎng),根據(jù)培養(yǎng)液中產(chǎn)生H2S的快慢、多少、出現(xiàn)黑色FeS的量,可判定SRB還原轉(zhuǎn)化硫酸鹽的效率與對碳源的利用情況。其結(jié)果是:SRB能以甲醇、乙醇、乳酸、葡萄糖等有機物作為良好碳源,SRB對它們的消耗速率大小為: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

銨鹽是大多數(shù)SRB生長所需的氮源。據(jù)一些報道,某些SRB還能夠固氮。一些菌種能夠利用氨基酸中的氮作為氮源,少數(shù)菌種能通過異化還原硝酸鹽和亞硝酸鹽提供氮。1992年,BooPahty分離出一株脫硫弧菌(Desulfovlbroi)能夠利用硝酸鹽,亞硝酸鹽和2,4,6-三硝基苯(TNT)作為氮源和電子受體[7]。

2.3 溫度

在廢水處理中,SRB對溫度的依賴性是多樣的、非隨機性的。據(jù)研究,純培養(yǎng)的SRB最佳生長溫度是30℃左右,但在含硫酸鹽廢水和各菌群混合共生的復雜體系中,SRB的硫酸鹽還原速度不僅僅取決于環(huán)境的溫度是否為最佳溫度,還要受競爭的影響,一般在35℃時,其硫酸鹽還原速率最大。

2.4 pH

pH是影響SRB活力的主要因素之一,合適的pH環(huán)境對微生物的生長及代謝是必須的。[H+]的高低直接影響硫酸鹽還原酶系的構(gòu)象、性質(zhì)及生物學活性。主要體現(xiàn)在:

1)pH值引起細胞電荷的變化,從而影響SRB對底物的吸收;2)影響SRB代謝過程中各種酶的活性與穩(wěn)定性;改變生態(tài)環(huán)境中底物的可給性以及毒物(如影響H2S的存在狀態(tài))的毒性;3)透過細胞膜的有機酸在SRB細胞內(nèi)重新電離,改變胞內(nèi)的pH值,影響許多生化反應的進行及ATP的合成。

相對于產(chǎn)酸菌來說,SRB所能忍耐的pH范圍較窄。SRB一般不在pH＜6.0的條件下生長,SRB生長最適pH值一般在中性范圍內(nèi)。許多研究表明,純培養(yǎng)的SRB的最佳工作pH值是6.7左右,而混合培養(yǎng)時,由于菌群間復雜的共生關(guān)系,其耐受的pH可以有所降低。當pH值在6.8～7.2之間時,硫酸鹽還原效果最好,反應器中的pH值范圍為6.0～8.0時,反應器中的硫酸鹽還原是可行的[8]。不同的研究者得出的結(jié)論也有差異,存在這些差異的原因有細菌本身在一定的環(huán)境條件下發(fā)生馴化適應作用,反應器中的營養(yǎng)和生長因子比較適宜,細菌之間有互營共生作用,細菌互相粘連而以絮狀體形式存在等。

2.5 氧化還原電位

不同微生物對環(huán)境中的氧化還原電位的要求差異很大,早期人們認為SRB屬于嚴格厭氧菌,但近期的研究表明SRB在微氧的環(huán)境中也能生存,在前面論述過。但總的來說任何SRB均不以O(shè)2作為電子受體生長。為保證硫酸鹽有效的還原,SRB生長的氧化還原電位(Eh)必須低于-100 mV。氧氣(空氣)以及氧化態(tài)化合物對SRB有著十分強烈的抑制作用[9]。

由SRB能夠耐受少量氧氣存在(氧氣過量使SRB不能生長)的性能可知,SRB菌體內(nèi)可能存在去除有害活性氧的機制。O2獲得電子變成的超氧陰離子自由基就是活性氧的一種形式,它在厭氧菌細胞中可破壞各種生物高分子和細胞膜,也可形成其他活性氧化物,故對生物體十分有害。然而,在兼性耐氧菌胞體內(nèi)存在解毒除害的超氧化物歧化酶(SOD)與過氧化氫酶等,它們在液體環(huán)境下,能將超氧陰離子轉(zhuǎn)變成H2O2后再變?yōu)镠2O和O2,四川大學的萬海清等[6]通過菌團能使H2O2明顯釋放出O2的實驗,證明所用SRB菌體內(nèi)確實含有H2O2酶。

2.6 可見光(或紫外光)

SRB對光很敏感。在通常的發(fā)散日光下,SRB會受到完全的抑制,故SRB有機體必須在黑暗中培養(yǎng)。

3 結(jié)語

SRB是一類多樣性群體,在厭氧處理反應器中,碳源、氮源、溫度、pH、氧化還原電位、可見光等各種生態(tài)因子相互影響、相互制約,共同作用于SRB。研究和探討這些因子,令其在合理的范圍內(nèi)取值,對硫酸鹽廢水處理有重要的意義。

[1]康鳳先,倫世儀.硫酸鹽還原—甲烷發(fā)酵兩步厭氧法處理含高濃度硫酸鹽有機廢水可行性研究[J].工業(yè)水處理,1993,13(1):13-16.

[2]李新榮,沈德中.硫酸鹽還原菌的生態(tài)特性及其應用[J].應用與環(huán)境生物學報,1999(5):10-13.

[3]俞敦義,彭芳明,劉小武,等.環(huán)境對硫酸鹽還原菌生長的影響[J].材料保護,1996,29(2):1-2.

[4]付玉斌.硫酸鹽還原菌誘發(fā)腐蝕的研究特點[J].材料開發(fā)與應用,1999,14(5):45-47.

[5]李亞新,蘇冰琴.硫酸鹽還原菌和酸性礦山廢水的生物處理[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2000,1(5):1-11.

[6]萬海清,蘇仕軍.硫酸鹽還原菌的生長影響因子及脫硫性能的研究[J].高校化學工程學報,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.