徐 曼,付志敏

（内蒙古大学环境与资源学院, 呼和浩特 010021）

硫酸盐还原菌及其在废水处理应用中的研究进展

徐 曼,付志敏

（内蒙古大学环境与资源学院, 呼和浩特 010021）

硫酸盐还原菌（SRB）是一类分布广泛，利用硫酸盐或者其他氧化态硫化物作为电子受体来异化有机物质的兼性厌氧菌。本文在介绍了SRB的生理特性和代谢机理，阐明了SRB降解水中污染物原理，探讨了SRB在处理含重金属离子矿山酸性废水和有机废水中的应用现状及研究进展。

硫酸盐还原菌（SRB）；生理特性；微生物燃料电池（MFCs）；有机废水

社会不断进步和人们生活水平的提高，使得各种废（污）水的产生量随之增多, 由此带来的环境污染问题引起了人们的极大关注。废水处理法中的生物法由于成本低、效果好而倍受青睐，以硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing-Bacteria，SRB）为代表的生物处理法作为一项新的实用技术应用前景广阔[1-4]。

本文针对近年来SRB的发展状况进行了综述，介绍了SRB的生理特性，分类和代谢机理，以及处理废水的机理、特点与研究现状，还有近来新兴的关于微生物燃料电池的应用，指出SRB处理废水作为一项新的实用技术极具潜力。

1 SRB的基本特性

1.1 SRB的生理特性

SRB是指一类在无氧或极少氧条件下，具有可把硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等硫氧化物以及元素硫还原成硫化氢这一生理特性的细菌的统称。近年来，国内外学者对SRB研究做了大量的工作，包括SRB的生态特性、毒理学研究及其污染与防治方法、分离及筛选、处理工艺及反应器等[1]。SRB分布广泛，它们存在于含硫沉积物、厌氧污泥、污水、金属管道或容器，动物肠道或口腔等，还存在于土壤、水稻田、海水、盐水、自来水、温泉水、地热地区。

SRB属于异养微生物，生长代谢转化硫酸盐需要一定的碳源，碳源可以增加其生物量和作为电子供体进行硫酸盐还原，对于SRB的生长代谢和还原作用有直接影响。研究表明SRB可以利用的有机基质有很多种类，最普遍的是利用C3、C4脂肪酸（乳酸盐、丙酮酸、苹果酸），国外也有研究者曾利用氨基酸、乙酸、丙酸、丁酸和一些长链脂肪酸以及初沉池污泥、剩余活性污泥、糖蜜[2]、经过气提的奶酪乳清和橡胶废水等作为碳源进行研究，还有学者发现SRB可以利用纯一氧化碳[3]，还有长链烷烃[4]。对于几种主要的碳源，研究表明[5]SRB利用丙酸盐、丁酸盐、乳酸盐、乙酸盐的硫酸盐还原强度依次降低。SRB不能利用乙酸、丙酸、正己酸、苯酚[6]。

SRB在有氧和无氧的环境下均能生长，在厌氧条件下最适温度为31～35oC，最适pH为6≤pH≤6.5[6]，当COD/SO42-=2.7[7]时，硫酸盐几乎可以被完全去除。另外SRB对光很敏感。在通常的发散日光下，SRB会受到完全的抑制，故SRB有机体必须在黑暗中培养。

1.2 SRB的分类

根据《伯杰细菌鉴定手册》（第八版），在废水处理系统中常见的SRB有8个属（见表1）主要为不产芽孢的脱硫弧菌属和产芽孢的脱硫肠状菌属。

根据所利用的底物[8]，可将废水处理系统中的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）。也有根据rRNA测序分析[9]，将SRB分为革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、嗜热细菌和嗜热古细菌。其中，最常见的是不产芽孢革兰氏阴性嗜温SRB。在淡水及其他含盐量较低的环境中，分离到的多为革兰氏阳性、产芽孢的SRB。

根据生理生化特性的不同，可将SRB分为异化硫酸盐还原细菌和异化硫还原细菌。前者可以利用乳酸盐、丙酮酸盐、乙醇等作为碳源和能源，还原硫酸盐生成硫化物；后者则不能还原硫酸盐，只能还原其他硫化合物（亚硫酸盐、硫代硫酸盐）。

表1 硫酸盐还原菌（SRB）的分类

1.3 SRB的代谢机理

SRB的分解代谢在国内外研究很多，合成代谢的研究几乎没有，SRB的代谢利用硫酸盐，使环境中的硫酸盐减少或耗尽。由于S2-，HS-与氢结合生成反应的终产物H2S，使体系的氧化还原电位下降。SRB的代谢过程可以分为3个阶段：分解代谢、电子传递、氧化[10,11]，如图1所示。

图1 SRB的分解代谢过程

在分解代谢第一阶段，有机物碳源在厌氧状态下被降解，同时通过“基质水平磷酸化”产生少量ATP和高能电子；第二阶段，前一阶段释放高能电子通过SRB中特有的电子传递链（如黄素蛋白，细胞色素C3等）逐级传递，产生大量的ATP；在最后的氧化阶段中，电子被传递给SO42-, 并将其还原为S2-，此时, 需要消耗ATP提供能量。从这一过程可以看出，有机物不仅是SRB的碳源，也是其能源，SO42-仅作为最终电子受体。

SO42-作为SRB代谢过程中的最终电子受体，将被还原成S2-，它的还原过程主要分为三步。首先在细胞体外积累，然后进入细胞。在细胞内，第一步反应是在ATP-硫酸化酶的催化作用下，SO42-和ATP反应生成腺苷酰胺酸（APS）和很快分解为无机磷酸（Pi）的焦磷酸（PPi）。第二步，APS在APS-还原酶的作用下生成亚磷酸盐磷酸腺苷（AMP）。第三步，亚磷酸盐经过脱水分解氧化生成最终代谢产物S2-排出，如图2所示。

图2 SRB的分解过程

2 SRB在处理废水中的应用

2.1 SRB处理酸性矿山废水

酸性矿山废水（Acidic Mine Drainage，AMD）含有大量SO42-以及重金属离子，未经处理排放到环境中，SO42-厌氧条件下生成硫化氢，造成恶臭气味，硫化氢对于水生生物具有毒害作用，重金属离子污染地下水、土壤或水生生物，对人类的生活造成影响。由于重金属离子在环境中无法被分解，因而一旦进入环境后就会不断地积累而难以去除，对环境造成长期污染和破坏。

在处理重金属离子时，主要通过三种方式改善废水水质：产生的硫化氢与溶解的金属离子反应，生成溶解度非常低的金属硫化物从溶液中除去[12,13]；SO42-还原消耗水合氢离子, 使得溶液pH值升高, 金属离子以氢氧化物形式沉淀；SO42-还原反应降低了SO42-浓度；SO42-还原反应以有机物氧化产生的重碳酸盐形式造成碱性, 使水质得到改善。

利用SRB处理AMD成本较低，Tony Jong[14]以沙石作为厌氧填充床反应器中的填料及混合系SRB生长的载体进行研究，有机物和SO42-负荷分别为7.43 kg/d.m3和3.71 kg/d.m3，经过厌氧处理后，废水pH值由4.5上升到7.0，SO42-去除率达82％，Cu、Zn和Ni去除率达97.5％以上，As和Fe去除率则分别为77.5％和82％，但对于Mg和Al的去除没有效果。李亚新[15]等研究表明，污水厂污泥的酸性发酵产物可作为SRB的合适碳源。常温（20 ℃）条件下，当AMD中SO42-浓度为3000 mg/L，pH=3.0，COD/SO42-比值为1.0左右，进水SO42-负荷为5.22 kg SO42-/m3.d时，SRB的还原能力可达到3.32 kg SO42-/m3·d。AMD处理出水pH值可达6.0，SO42-还原率为63.6％，COD去除率为45.1％，重金属Fe2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+去除率均在89％以上；出水pH值和重金属离子浓度均满足排放标准。Özverdi等[16]运用硫沉淀的方法去除重金属Cu2+, Cd2+和Pb2+，在低pH（＜3）值的条件下，利用SRB还原产生的H2S吸附重金属离子，处理效率为Cu2+=100％, Cd2+＞94％和Pb2+＞92％，吸附能力为Pb2+＞Cu2+＞Cd2+。

利用SRB处理AMD成本较低，但是由于生物处理的过程复杂，所以还需要在：有机碳源种类、反应器类型及提高SRB细菌在不同条件下（pH值、重金属存在）的硫酸盐脱除能力等方面进行深入的研究。

2.2 SRB处理有机废水

近年来兴起的造纸、食品等轻工业排放的生产废水中除含高浓度的有机物外, 往往还含有高浓度硫酸盐, 此类废水属高硫酸盐有机废水。这些废水若处理不善, 排入水体不仅会产生具有恶臭味和腐蚀性的H2S, 而且直接危害人体健康和生态平衡。在微生物厌氧消化过程中[17,18], 产甲烷细菌（Methane-Producing-Bacteria，MPB）对有机物的去除起了重要的作用, 但是在高SO42-有机废水中, SO4

2-还原对产甲烷过程具有不利影响。SO4

2-还原对厌氧消化的影响机制归纳为两方面[19]，（1）SRB与MPB在利用共同底物（H2和乙酸）上的初级竞争性抑制作用；因为SRB具有较低的Km值（表2）, 因而在底物亲和力方面更具优势[20]。从热力学角度看，SO42-还原作用比产甲烷反应具有更高的△G0绝对值, 因此反应更容易发生。另外, 从生长动力学来讲, SRB较MPB有更高的生长率和细胞产率[21]；且SRB具有较广泛的可利用基质碳源。从反应动力学看，MPB具有较大的比基质降解速率Vmax，在底物浓度较高时, 能有效地进行物质转化和保持代谢平衡，具有竞争优势（见表3），Maillacheruvu[22]发现在低SO42-浓度废水中MPB生长优于SRB，因而在处理COD/SO42-浓度比值较大的有机废水时, SRB的不利影响较小。

表2 SRB和MPB利用H2和乙酸的比较

表3 SRB和MPB的动力学常数比较

（2）SRB在还原过程中产生的H2S对MPB有次级毒害抑制作用[1]。原因可能在于细胞一般带负电, 只有电中性的H2S分子容易接近并穿透细菌的细胞膜进入内部, 破坏蛋白质, 还可以通过形成硫链干扰辅酶A和辅酶M[23]。

通过投加抑制剂[24]对SRB活性的进行选择性抑制，可削减SRB对MPB的初级抑制作用，目前研究最多的抑制剂是钼酸盐（MOO42-）。但是，长时间研究发现MPB同样受到抑制，而且SRB逐渐适应这种抑制剂。Isa等[25]发现MOO42-对MPB有杀菌作用，并引起反应器中乙酸的积累。因此不建议用钼酸盐。Chen[19]发现COD/SO42-是决定厌氧消化中是否存在SRB对MPB抑制的主要因素，增大COD/SO42-的比值，有利于产甲烷反应地进行，一般而言，当污水中的COD/SO42-＞10时，MPB不会受到SRB 的抑制作用；而当COD/SO42-＞20时，系统内很难有SRB存在[26]。

Reis等[27]提出SRB对MPB的次级抑制作用作用主要是由溶解性H2S引起。pH值是H2S在水中状态的指示指标，Khanal等[28]发现在pH为6.4～7.2条件下的UASB反应器中，每250 mg/L的硫化物就会抑制50 ％ MPB进行产甲烷活动。根据在水中H S的电离平衡方程，提高pH有利于H2S电离，即有利于消除溶解性H2S对MPB的抑制作用。另外，SRB的氧化还原电位（Oxidation Reduction Potential，ORP）要求小于-100 mV，而MPB的小于-330 mV。因此，基于氧化反应的ORP达到-230 mV时，可以提高MPB对SRB的竞争能力，使得MPB可以稳定的存活并保持高度活性。COD/SO42-的比值同样对H2S浓度有影响，Sabumon[29]发现COD/SO42-＜10时，H2S浓度降低，并且在COD/SO42-比值低（=1.3）的条件下，通过给反应器上部通入氧气就可以消除硫化物对MPB的抑制。

3 结论

微生物法作为一种最有前途的废水处理方法, 具有高效、无二次污染, 处理费用低等优点。其中, 硫酸盐还原菌处理废水的理论在国内外处于热点研究探索中,由于硫酸盐还原菌容易培养等一系列优点,还有分布广泛，兼性厌氧等生态特性，使其在工程上的应用成为可能。

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内蒙古大学高层次引进人才科研任务启动项目（125112）

内蒙古自然科学基金资助项目（2013MS0603）