（化学工程专业论文）垃圾渗沥液烟气脱硫尾液中硫化物的生物转化研究.pdf

垃圾渗沥液烟气脱硫尾液中 硫化物的生物转化研究 化学工程专业 研究生董燧指导教师互鲞溘 对日益增多的城市垃圾，目前国内主要采用卫生填埋，其直接后果是产生 大量有毒有害的有机废水一垃圾渗沥液，该废水用于烟气脱硫后即变成含有硫 酸盐的有机废水，用硫酸盐还原菌处理，虽然会有效降低硫酸盐的浓度，但是 又会产生大量的硫化氢，造成二次污染，仍然无法直接排放。为了达到真正的 以污治污，本课题通过分离硫氧化光合细菌的方法，对硫氧化光合细菌的分离 纯化，生物学特性，以及处理垃圾渗沥液烟气脱硫尾液硫化物的生物转化能力 进行了详尽的研究，得到了以下结论： 1 从城市河流滞水区域中分离筛选出了一株p s b ，其菌体形态呈杆状，有 的略有弯曲，大小1 0 1 0 2 o m 。染色特性为革兰氏染色阴性、未观察到 芽孢、无鞭毛，细胞以二分分裂方式繁殖。 2 该p s b 属于中温菌，严格厌氧 的范围内都能生长：其最适p h 为8 0 ， 最适生长温度为3 0 。c ；在p h 6 0 9 0 最佳光照条件为1 5 0 0 1 u x ，叶绿素a 是 其主要光合色素，在黑暗情况下分离菌不能生长。鉴定为着色菌属内的最小着 色菌( c h r o m a t i u mm i n u t 地s i m u m ) 。 3 所得p s b 在氧化硫化物过程中，可以利用乳酸、柠檬酸和碳酸氢钠，但 不能利用乙酸、乙醇、甲酸及葡萄糖。在氮源的利用上，分离菌能很好的利用 氨盐，但不能利用n o ：，n 0 3 _ 及脲。 4 通过逐步提高分离菌周围生长环境硫化物的浓度，以提高分离菌对硫化 物的适应能力，通过实验，分离菌以可以适应周围环境硫化物浓度高达 1 0 0 0 m g l ，并且生长良好。 j 分离菌对周围生长环境的营养要求简单，硫酸盐还原菌处理过后的尾液 即可满足分离菌正常生长的营养要求，只需一定的光照条件。 6 对分离菌与s r b 共同处理含高浓度硫酸盐的有机废水的方式进行了探 讨，通过试验对比，p s b 与s r b 分别单独处理虽然会增加相应的投资成本，但 是综合考虑到治污效果，还是要优于两种细菌混合处理的。 本研究分离得到了对垃圾渗沥液烟气脱硫尾液中的硫化物具有较强氧化能 力的硫氧化光合细菌，利用分离菌与硫酸盐还原菌配合处理城市垃圾渗沥液， 得到了较好的结果，实现了将两类污染物( 烟气，垃圾渗沥波) 在同套工艺 中进行互补生物处理，在产生社会效益的同时又具有一定的经济效益，体现“以 废治废”的环境生物工程新概念。 关键词：硫化物，光合菌，分离，特性 i l r e s r e a c ho fm i c r o b i a lt r a n s f o r m a t i o nf o rs u l 如ri nw 酞t ew a t e r o f l a n d f i l ll e a c h a t e c h e m i c a l e n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：c h a n 吐t a ig e s u p e r v i s o r ：h a i q i n g w a n t h em i s s i o nf o rc o n t r o l l i n gt h ep o l l u t i o no f c o a ls m o k e t y p e i no u rc o u n t r yi s u r g e n tb e c a u s et h ee c o n o m yl o s sr e s u l t i n gf r o ms 0 2a n da c i dr a i nm o u n t st o t h o u s a n dh u n d r e dm i l l i o n y u a ne v e r yy e a r ；o n t h eo t h e r h a n d ，t h ep l e n t i f u l h o u s e h o l d g a r b a g e i st r e a t e d b yf i l l i n g i n t ot h e g r a n d ，t h e r e f o r e i t p r o d u c e s s u b s t a n t i v ep o i s o n o u sa n dh a r m f u lo r g a n i cw a s t ew a t e r - - l a n d f i l ll e a c h a t e s oh o w t oh a n d l e ，c o n v e r ta n dm a k eu s eo ft h el a n d f i l ll e a c h a t eb e c o m e san e wf o c u si nt h e f i e l do f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i no r d e rt ot r e a tb o t ho ft h ew a s t ew a t e ra n dw a s t eg a sm e n t i o n e da b o v e ，w e b a s et h es t u d y0 nr e c i p r o c a ls y s t e m so ff l u eg a sw e td e s u l f u r i z a t i o na n dm i c r o b i a l t r a n s f o r m a t i o no fs u l f u rw i t hl a n d f i ul e a c h a t e t h ep a d e rf o c u s e do nt h es e l e c t i o n a n dg r o w t hc h a r a c t e r i s t i cs t u d yo fs u l f a t e - o x i d i z i n gp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a s o m e c o n c l u s i o n sw e r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 as t r a i no fs u l f a t e - o x i d i z i n gp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i aw a si s o l a t e df r o mc i t y b a c k w a t e r t h ec e l l sa r et h i nr o ds h a p ew i t ht h es i z eo f1 0 1 0 2 0 r t m t h e y a r e f l a g e l l a a n dn o n s p 0 陀- f o n n i n g 。t h ec e l l ss t r a i ng r a m n e g a t i v e 2 t h e s e p a r a t e b a c t e r i a b e l o n g s t ot h em i d d l eb a c t e r i a t h e o p t i m u m t e m p e r a t u r e o ft h es t r a i n ( p s b ) i s3 0 ，t h ep hr a n g e6 0 9 0 ，t h e o p t i m u mp h i s8 0 ，a n di ti ss t r i c t l ya n a e r o b i c ，a n dt h eo p t i m u ms u n l i g h ti s 15 0 0 1 u x ，a n dc h l o r o p h y l lai st h em a i np h o t o s y n t h e s i sp i g m e n t i t i s c o n s i d e r e dt ob ec h r o m a t i u mm i n u t i s s i m u m 3 v v l e no x i d i z i n gs u l f i d e , t h es t r a i nc a nu s el a c t i ca c i d ，c i t r i ca c i da n ds o d i u m b i c a r b o n a t e ，b u t i tc a nn o tu t i l i z ea c e t i ca c i d ，e t h a n o la n dg l u c o s ea n dw h e n u t i l i z i n g t h es o u r c eo f n i t r o g e n ，t h es e p a r a t eb a c t e r i ac a l lf u l l yu t i l i z i n g n h 4 + ，b u ti tc a r iu t i l i z en 0 2 一，n 0 3 一a n d c a r b a m i d e h 1 4 t h r o u g hi n c r e a s i n gt h ee n v i r o n m e n tc o n c e n t r a t i o no fs u l f i d es t e pb ys t e p a r o u n dt h es t r a i n ，i 1 3o r d e rt oi n c r e a s et h ea d a p t a b i l i t y t os u l f i d e ，t h eb a c t e r i a c l n lg r o ww e l li n10 0 0 m 虮c o n c e n t r a t i o no fs u l f i d e 5 t h es e p a r a t eb a c t e r i ah a sn om u c h r e q u e s tt on u t r i t i o n i fp r o v i d e ds u n l i g h t ， t h es w a i nc a n g r o w w e l li nt h ew a s t ew h i c hi sd e a l e dw i t l lf i r s tb ys r b 6 t h r o u g h d i s c u s s e dt h em o d et ot r e a tw a s t e w a t e ri n c l u d e dh i g hc o n c e n t r a i o no fs u l f a t e o r g a n i cb y t h es t r a i na n ds r b i ti sk n o wt h a tp s ba n ds r bt r e a tt o g e t h e ri sb e t t e rt h a n t r e a ts i n g l y , n t h o u g hi tw i l li n c r e a s ec o r r e s p o n d i n gi n v e s t m e n tc o s t t h e p a p e rt r yt op r o v i d e an e wi d e at oh a n d l et h ee n v i r o n m e n tp r o b l e m ：m a k e t h et w op o l l u t a n t s ( f l o wg a sa n dl a n d f i l ll e a c h a t e ) c o o p e r a t ee a c ho t h e ri nt h es a n l e e n g i n e e r i n gf l o w ，a n dp r o d u c e b o t hs o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t ，t h e r e f o r ei t r e p r e s e n t sa n e w c o n c e p to f e n v i r o n m e n t a la n d c h e m i c a le n g i n e e r i n g ：t r e a tt h ew a s t e w i t hw a s t e a tt h es a m et i m e ，t h es t u d y i n gr e s u l t sp r o v i d eag o o db a s i sf o rt h e f u r t h e rr e l a t i n gr e s e a r c hi nt h er e c i p r o c a ls y s t e m k e yw o r d s ：s u l f i t e ，p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a , i s o l a t i o n ，c h a r a c t e r s 四川大学硕士学位论文 1 绪论 二十世纪以来，工业文明的高速发展将人类带进了一个前所未有的时代， 但是却以破坏了人类赖以生存的自然环境为代价。国际环境保护协会已经警告 人们说，人类造成的环境污染问题已经使人类的生存处于极度危险的边缘，工 业“三废”和人类生活“三废”带来的各种资源短缺，特别是对与人类生存息 息相关的水、大气和土壤的污染，已经严重地威胁到地球上整个生物圈的正常 循环，极大地危害着人类的未来。治理环境污染已经是保持经济可持续发展的 必然条件，实现工业化再也不能以牺牲环境为代价。 我国的大气环境污染一直以煤烟型为主，以煤为主的能源结构是形成以 城市为中心的大气污染严重的重要原因。在1 9 9 9 年联合国公布的世晃十大污染 城市中，中国占了7 个。在全国6 0 0 多个城市中，大气环境质量符合国家一级 标准的城市不到1 。落后的生产工艺致使工业废水的排放量不断增加。不文 明的生活方式导致城市垃圾每年以1 0 的速率增长。垃圾处理方式的落后形成 了“垃圾包围城市”的尴尬局面。 一方面，对日益增多的城市垃圾，目前国内主要采用卫生填埋晗 ，其直接后 果是产生大量渗沥液。垃圾渗沥液具有n h 。和c o d c r 此人浓度高、微生物营养 元素比例失调、c o d c r 变化大而n h 。浓度小的特点，是有毒有害的有机废水，对 生物和植物都有极大的危害。所以采用“卫生填埋”处理垃圾必然造成严重的 二次污染。如何处理、转化和合理利用垃圾渗沥液已经成为环保中的又一新课 题。同时，在全球性的食品、医药、造纸、发酵等工业的迅猛发展下，也带来 了大量的含高浓度硫酸盐废水( 高达3 0 0 0 m g 1 ) ，这类废水有很高的c o d c r 和 b o d ，如果不经过处理而直接排放到水体中，将会对人体以及环境造成极大危害。 另一方面，在冶金、石油化工、化学品生产、煤的低温焦化和天然气开采以 及工业沼气等生产过程中常常产生并排放含硫化物的工业气体或废气，而硫化 物是一种毒性气体，而且在有氧和湿热条件下，会严重腐蚀金属管道、贮气罐、 仪器仪表以及燃烧设备，燃烧后产生的二氧化硫又重新污染环境，造成巨大的 经济损失。 硫酸盐还原菌( s u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i a ，简称s r b ) 3 在微生物厌氧 处理法中起着重要作用。s r b 作为一种主要的厌氧微生物，广泛分布于土壤、 各种水体、动物体内，”。它在无氧或极少量氧的情况下，能以有机物作为电子 四川大学硕士拳位论文 供体、硫酸盐作为末端电子受体进行生长代谢，产生h ：s ，严重毒害生物体。同 时，s r b 参与自然界中多种反应，能有效降低硫酸盐浓度，使水体净化；还能 利用还原产生的硫化物去除废水中的重金属，使废水去毒：s r b 加入到油井中 还可以提高油产量。4 。 光合细菌是利用太阳能生长繁殖的细菌，光合细菌在自然界中分布非常广 泛，可以认为凡是光能所及之处均可发现它们的踪迹，如海洋、江河、湖泊、土 壤、极地或温泉( 甚至高达9 0 。c ) 、高盐水体等各种生境，在水环境中尤为丰富， 在某些沟渠中甚至可高达1 0 7 个m 1 。日本学者发现在海洋砂石表面细菌种群 中，仅好氧光合细菌数量即可达6 3 。它们在水体初级生产力中占有相当的比 重。 某些光合细菌如绿菌科的一些种是以h 2 s 作为光合作用供氢体，以c 0 2 为主 要碳源，它们属于光能自养类型：红螺菌科的细菌则以有机物作供氢体，以有机 物作为主要碳源，一般认为它们应属光能异养类型：而绿硫菌科的种类能很好利 用c o z 和有机物，是兼性营养类型。光合细菌不仅利用光能同化c 0 2 ，固定分子氮， 制造有机物质，同时它们还能分解利用许多有机物质，如有机酸、醇、醣类以及 某些芳香族化合物，转化某些有毒物质，如h 。s 、氨氮、硝态氮等，在促进水生态 系统的物质循环，净化水体过程中发挥着重要的作用。美国格林( g r e e n2 a k e ) 湖测算数据表明，每年光合细菌同化碳为6 0 吨，同时脱去硫化物可达8 4 吨由此 可见一斑。紫色硫磺细菌可以将如s 氧化成单质硫或硫酸根，在进行h 2 s 寸s o 反应的同时，平行进行着s o s 0 。的反应，但后者的反应较慢，反应期间生成 的硫磺颗粒积累在细胞内_ 6 。而绿色硫磺细菌在h 2 s 存在时，只进行从也s 斗s o ， 不发生s o s o 。的反应，发应期间生成的硫磺颗粒不稳定的积累在细胞外侧。 总之，h ：s 不是立即被光合细菌氧化成s o 。，一部分以硫磺颗粒的形式存在，并 以某种形式堆积在水底。虽然目前还没有关于堆积量的实际测定例子，但可以 从光合细菌与湖底硫磺床形成相关的事实来证明这一点。 针对以硫酸盐还原菌处理城市垃圾渗沥液时以硫酸盐作为末端电子受体进 行生长代谢会会产生硫化物二次污染的问题，为此本课题提出垃圾渗沥液湿法 烟气脱硫一微生物硫转化互补体系，利用s r b 处理含高浓度硫酸盐城市垃圾渗 沥液，其尾液通过接入p s b ，其产生的硫化物大部分转化成单质硫，同时，又 可以降低c o d 。，含量。最终实现将两类污染物( 烟气，垃圾渗沥液) 在同一套工 四川大学硕士学位论文 艺中进行互补生物处理，在产生社会效益的同时又具有一定的经济效益，体现 “以废治废”的环境工程新概念。 四川大学硕士荦住论文 2 文献综述及研究内容 2 1 烟气的危害及煤烟脱硫技术 我国大气污染以煤烟型为主，这是因为煤炭是我国最主要的一次能源，而 煤炭中通常含有0 2 5 - - 7 o 的硫，分为可燃硫和不燃硫，其中不燃硫主要 是硫酸盐硫，可燃硫又分为有机硫与无机硫，煤炭在燃烧过程中，可燃硫生成 s o 。随着烟气排入大气，是引起酸雨的主要物质。酸雨给地球生态环境和人类 社会经济都带来严重的影响和破坏，它不仅会危害人体健康，还会腐蚀地面建 筑物，使土壤酸化，影响动植物的正常生长，渗入地下，可能引起地下水酸化。 我国酸雨面积日益扩大，已达国土面积的3 0 在2 0 0 0 年，我国一次性能源 消耗量超过1 2 亿吨，s o ：的年排放量达到3 8 2 2 万吨。因酸雨造成的经济损失高 达千亿元。s 0 。烟气来源广泛，几乎所有的工矿企业都可能产生，但它主要来自 煤炭和石油的燃烧过程，硫化物矿石的焙烧、烧结过程、火力发电厂、有色金 属冶炼厂、钢铁厂硫酸厂以及一切燃煤或油的锅炉、炉灶都排放s o ：烟气。在 各种过程排放的s o 。烟气中，约有9 0 来自煤的燃烧过程。 我国目前年耗煤量约为1 4 亿吨，占能源比重7 5 ，而且耗煤量的8 5 被用 于直接燃烧。大量s 0 。排入大气，成为大气的主要污染源，从而使我国的大气 环境呈“煤烟型”污染特征。据资料报道1 9 9 8 年我国s 晚排放量为2 0 9 0 万吨， 居世界各国首位。我国是一个发展中国家，经济还比较落后，采取可持续的发 展路线，开发出高效、低成本的煤烟脱硫技术，将具有深远的经济意义和环保 意义。 迄今，世界各国开发的脱硫技术已有2 0 0 多种，这些方法中，有的已有工 业装置，有的还处于实验阶段。 在国外，美国、日本、德国等发达国家在烟脱硫方面起步早，在脱硫工艺 和设备研制方面投入大，脱硫技术在世界上一直处于领先地位，脱硫装置也得 到大规模工业应用。 在国内，烟气脱硫技术的研究起步不算晚，但进展缓慢。研究的工艺方法 虽然很多，但大多仍停留在小试和中试阶段，工业化装置少。 煤炭脱硫技术大致分为物理法、化学法和生物法三种。物理法脱硫是依据 煤炭颗粒与含硫化合物的比重、磁性、导电性及其悬浮性面而发展起来的去除 四，：l 大学硕士学位论文 煤炭中无机硫的方法，其优点是过程比较简单，已经有大规模的生产应用：缺 点是不能去除有机硫，而且无机硫的晶体结构、大小及分布影响其脱硫效率。 化学法的原理是通过氧化剂把硫氧化或置换而达到脱硫的目的。其缺点是必须 要高温、高压并使用腐蚀性过滤剂，过程能耗大，设备复杂，经济成本过大。 生物法的原理是利用微生物能够选择性的氧化有机硫或无机硫的特点，优点是 既能去除有机硫，又能去除无机硫，并且反应条件温和、设备简单、成本低”1 。 烟气脱硫技术方面：酸性工业气体的细菌脱硫是近年来国内外研究的一个 新课题，早在5 0 年代就发现某些化能自养型的细菌与煤中的二硫化铁的氧化有 关，但直到7 0 年代，因世界范围内的大气污染和酸雨问题更加严重，各国才开 始重视煤炭的微生物脱硫。并将研究重点放在硫杆菌属、硫化叶菌属、大肠杆 菌和假单胞菌属。其中脱氮硫杆菌( t h i o b a c i l l u sd e n i t r i f i c a n s ) 和排硫硫 杆菌( t t h i p p a r u s ) 可以直接氧化h 。s 为s o ，氧化亚铁硫杆菌( t f e r r o o x i d a n s ) 则通过间接氧化作用氧化h ：s 为s 州”。1 等。其脱硫原理反应如下： 4 r s o , + 0 ：+ 2 如s 嘎型二i q 一2 f e 2 ( s o ) ；+ 2 h 2 0 h 。s + f e 。( s o 。) 。些! ：! ! ! ! ! 2 f 。s o 。+ h 。s o 。+ s o 山 2 2 垃圾渗沥液的惫害及控制 随着经济的迅速发展，城市规模日益扩大，人口日益增多，城市生活垃圾 量也急剧增加，我国城市生活垃圾年产生量过亿吨，历年的垃圾堆存量达6 0 亿吨；城市垃圾年产生总量每八九年就翻一番：全国6 6 0 多座城市中，有2 0 0 余座处于垃圾包围之中。大量的生活垃圾直接影响着城市里人们的身体健康和 生活秩序，甚至关系到人们的生存问题，目前我国垃圾处理的效率还不高，主 要体现在以下几个方面：垃圾的运转全靠人工完成，耗时耗力，效率却较低； 处理过程中，虽然机械化、自动化增强了，但依然以劳动密集型为主；垃圾处 理时，回收率很低：垃圾处理后，会产生二次污染，如白色塑料填埋后难以降 解，会影响土壤的肥力，焚烧会产生有毒气体，导致空气污染，垃圾处理厂及 周边会导致大量有害生物的滋生和繁殖，传播疾病，严重影响人们的日常生活。 有效处理城市生活垃圾是科学家们急待解决的问题。 垃圾渗沥液处理虽然在各国研究的时间已较长，但迄今尚无比较切实有效 的处理方法。因为垃圾渗沥液成分取决于垃圾成分、填埋时间、气候条件、填 埋场设计等多种因素。一般来说，垃圾渗沥液具有如下特点：( 1 ) 水质复杂，危害 5 四川犬擘硕士学位论炙 性大。( 2 ) c o d 。，和b o d s 浓度高。( 3 ) 金属含量高。( 4 ) 氨氮含量高、含盐量高。 ( 5 ) 色度深且有恶臭，需考虑脱色处理，臭味给运行操作带来困难。( 6 ) 微生物营 养元素比例失调。垃圾渗沥液通常有机物和氨氮含量高，而磷元素较为缺乏。( 7 ) 水质变化大。填埋时间是影响渗沥液水质的主要因素。垃圾渗沥液会大面积的 对周围地下水和地表水均会造成严重的环境污染“。表现在：污染地下水质， 破坏生态环境：毒害许多动植物；并直接污染人类生活饮用水等。张兰英等人 采用g c - m s - d s 联用技术鉴定出垃圾渗沥液中有9 3 种有机化合物，其中2 2 种被 列入我国和美国e p a 环境优先控制污染物的黑名单中。c a l v e r t 曾报导距垃圾 处理厂的蓄水池5 1 2 m 远的一口井中水，其硬度、钙镁浓度、总固体量和c o ：都 有增加。德国l a n g 报导距离填埋场4 k m 远的地表水下游，水质出现恶化。 n e v e n k a ，m i k a c 等报导，渗沥液对含水层的影响不仅仅在于表层，而且贯穿于 达6 0 m 深的垂直截面。s u s a n ch a p e r 等报导了渗沥液中重金属对周围环境及对 其后生物处理的毒性影响。关于渗沥液毒性，美国和日本等在此领域进行了试 验研究。国内郑曼英等报导 7 ，广州市落老虎窿填埋场虽然1 9 9 2 年封场，但直 至1 9 9 5 年其排放的浸出液b o o 、c o d 氮和磷仍然超标，其中以氮为甚，赵万 有等报导垃圾填埋不采取防渗措施，对地下水必然造成严重污染，主要表现在 地下水的水质混浊，有严重臭味，c o d 。，、三氮含量高，油、酚污染严重，细菌、 大肠菌超标。 国内外对垃圾渗沥液的处理试验研究及实践工作已进行了多年，处理方法 有回灌法、土地处理、与城市污水合并处理、生化处理、物化处理等2 0 多种。 目前我国对城市生活垃圾的处理方法主要采用“卫生填埋”。这样处理的直接 后果是产生大量的垃圾渗沥液。垃圾渗沥液具有n 心和c o d 。浓度高、微生物营 养元素比例失调、c o d 。，变化大而n 叱浓度小的特点，是有毒有害的有机废水， 对生物和植物都有极大的危害。所以采用“卫生填埋”处理垃圾必然造成严重 的二次污染。如何更有效地处理、转化和合理利用垃圾渗沥液已经成为环保中 的又一新课题。 2 3 硫酸盐还原菌及硫转化机理 s r b 是一组进行硫酸盐还原代谢反应的严格厌氧细菌的总称嘲，是一类形态 四川大学硕士学住论文 营养多样化、属种关系复杂的微生物，在有机废水中其含量很高。根据不同的 生理生化特征，它们可以分为异化硫酸盐还原菌和异化硫还原细菌( “异化” 的意思是指还原的硫酸盐组分并没有同化为细菌的细胞部分，而是作为产物释 放) 。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，只能还原元素硫或其他含硫化合物( 如 亚硫酸盐、硫代硫酸盐) 。 自然界中微生物的硫素循环如图2 1 所示 5 。 可以看出s r b 在硫素循环中的重要作用，它不仅可以解除h 。s 对动植物的毒 害作用，而且可以增加可给态硫的含量，有利于生物生长在好氧条件下，h ：s 能为化能自养的硫磺细菌，主要为s r b 所氧化，产生可给态的无污染单质硫。 所以如果能使硫酸盐经h 。s 变成硫单质就可以避免污染，达到治理环境的目的。 异化硫酸盐还原菌在富含硫酸盐的废水厌氧微生物处理中相当活跃 m49 ”，它以硫酸盐做最终电子受体，分解废水中的有机物获得合成细胞特 质和维持生命所需的能量。s r b 的代谢可以分为分解代谢和合成代谢两部分， 与硫酸盐还原相关的是分解代谢。关于s r b 的分解代谢可以用以下三个阶段描 述：分解代谢、电子传递、氧化，如图2 2 所示。 ( 硫 图2 ，1 自然界中的硫素循环 菌) 四川大学项士学位论文 黄素蛋白、细胞色素c 。等 c 0 2 + h 。0 + c h 。c o o h 电子传递 分解代谢 图2 2s r b 的分解代谢过程 s 0 4 2 - s 0 3 2 + h 2 0 消耗 a t p s 2 。+ o h 一 生物氧化 在分解代谢过程的第一阶段，有机物碳源的降解是在厌氧状态下进行的， 同时通过“机制水平磷酸化”产生少量a t p ：第二阶段中，前一阶段中释放的 高能电子通过s r b 中特有的电子传递链( 如黄素蛋白，细胞色素c 等) 逐级传 递，产生大量的a t p 在最后阶段中，电子被传递给氧化态的硫元素，并将其 还原为s ，此时，需要消耗a t p 提供能量。从这一过程可以看出，有机物不仅 是硫酸盐还原菌的碳源，也是其能源，硫酸盐( 或氧化态的硫元素) 仅作为最 终电子受体起作用。它首先在细胞外积累，然后进入细胞，在细胞内，第一步 反应是s o 。”的活化，即s o 。”与a t p 反应转化为腺苷酰硫酸( a p s ) 和焦磷酸 ( p p i ) ，p p i 很快分解为无极磷酸( p i ) ，推动反应不断向左进行，a p s 继续分 解为偏亚硫酸盐和磷酸腺苷( a m p ) 。亚硫酸盐脱水后变成偏亚硫酸盐( s 。0 5 2 - ) ， s ：0 。2 极不稳定，很快转化为中间产物连二亚硫酸盐( s 。o 。) ，s 。o 。2 又迅速转化 为s 。0 6 ，s 。o 。分解为硫代硫酸盐( s 。o 。) 和亚硫酸盐( s 0 3 2 - ) ，s 。o 。又经自身 氧化还原作用，变成s o 。2 一和最终代谢产物s 2 。，s 2 一被排出体外，进入周围空间。 因此，整个分解代谢过程细菌利用c o 。、h ：0 、c h 0 0 h 或其他小分子有机 物，s o 。”s o 。2 一扩散入胞内获得电子并消耗a t p 还原为低价的硫( s 2 _ s ) ，完 成其整个分解过程。 在分解过程中有关方程式如下： 源llll，lli丫 碳 高 p 盯子物电产能 四川大学硕士擘位论文 a t p + s 吼2 一卜a p s + p p i 。pp，。i+t。12。0：!；!；!=2。p。i。，+。m， a p s + 2 e竺! ：兰堡竺 s o 。，+ a m 9 上述s 0 3 还原成s 2 。的过程中，需要6 个电子，由亚硫酸还原酶符合物系统 逐步催化进行但又有不同的还原途径被提出，如下所示： s 0 。”一s 。0 6 2 一l s ：0 3 2 - s 2 一 上上 s 如2 。s 魄 但是这两种还原途径都显示出s 0 。还原为s 的过程中有三种酶参与了 s 0 3 ”的还原，即：连三亚硫酸盐形成酶，连三亚硫酸盐还原酶或硫代硫酸盐形 成酶和硫代硫酸盐还原酶。 根据s r b 的代谢分解原理，利用硫酸盐异化还原反应处理高浓度硫酸盐， 再经过分离纯化菌种获得优势硫酸盐还原细菌“3 “1 如果将硫酸盐还原过程的 三个阶段连接起来，则硫酸盐异化还原反应的可能代谢途径如图2 3 所示： 通过硫酸盐异化还原反应过程图示，可以看出s r b 的生长代谢过程中，有 机物降解为s o 。”的转化提供反应条件( h 2 ，a t p 等) ，s o 。”的转化又再生出有 机物进一步降解所需的h + ，a d p 等，即两种生化过程互相补充，而且当废水中 有能形成短链脂肪酸的发酵细菌存在时，s r b 还可以完成一个完整的厌氧降解 “生物链” 1 7 l ，如图2 4 所示( 注：m p b 一产甲烷菌，a b 一乙酸菌) 。 有报道认为 2 0 高浓度硫酸盐有机废水中9 0 左右的s o , ”可以被微生物氧 化还原，同时废水中c o d 。，和n h 。进一步得到消耗和降解，实现将高浓度硫酸盐 有机废水进行有效的生物转化和生物处理。因此利用s r b 能够达到以废治废的 目的，有效治理环境污染。 应用微生物代谢可以将垃圾渗沥液和烟气中的s o ? 这两种污染有机地联系 9 四川大学硕士学位论文 起来，实现废气治废水的生物互补处理。美国t u l s a 大学的p t s e l v a r a j 等几位学者 2 “”3 自1 9 8 9 年到1 9 9 7 年对利用硫酸盐还原菌直接将气相s o ，还 原为h z s ，然后用脱氮硫杆菌使h ：s 转化为s 。并在1 9 9 7 年进行烟气和富含s o 。2 一s 0 。的废水固定化细胞生物反应器脱硫研究中发现，以城市污水作为碳源和 能源的硫酸盐还原菌能将烟气中的s 0 ，变成h 。s 。微生物法处理富含s o 。”s o 。2 1 的有机废水就是利用硫酸盐还原菌通过异化硫酸盐的生物还原反应，将硫酸盐 还原为h 。s ，并利用某些微生物将h ：s 氧化为单质硫。 s 0 4 2 - ( 胞l l j ) 芷墼- s 0 4 2 一( 硫代硫酸盐 s 2 0 3 2 监避一s s 0 6 2 硫化物氧化酶 图2 3硫酸盐异化还原反应过程 s ( 胞内) 2 4 硫氧化光合菌的定义及其在环保中的作用 s r b 还原s o 。的产物硫化物仍然是废水中的污染物。而且在合适的条件下又 能氧化为s o 。”，所以必须将s r b 生物还原出水中的硫化物氧化为单质硫。本课 题采用光合细菌中的最小着色菌o “。 最小着色菌( 紫色) 专性光能自养跚，利用c o 。为碳源，h 2 s 作为光合作用 的供氢体，有的利用其他无机硫化物作供氢体，严格厌氧，典型生活环境为含 硫化物的水体。在自然界中，它们存在于厌氧含硫酸盐的水域中，少数种适专 性嗜盐菌，多数种的最适生长温度为2 0 3 0 。c 。在天然水域中，它们常生活于 一一 翌型垄鲎坚主兰竺垒叁 栩酸张m e 台物碳水化舍物蛋白赝 j rj1 l1 l 嗣黜 柱f 奇酸甘油和腊肪酸1 笥单糖类氨基酸i l 上 一 j r 超瞅翻自肪酿+ 乙醇_ + 黜 j + f 一衄 h c o ,c o h 赢 i p b b 吼+ c q _ _ j 图2 4厌氧降解“生物链” 含c o ：和h = s 的厌氧水层中，有时因大量增殖而呈现红色，该菌之所以能大量繁 殖，是因为在厌氧环境中，以h ：s 为营养源的生物很少，h 。s 对其他生物的生长 起抑制作用，另一原因是紫硫细菌以光能作能量来源。 绿硫细菌是严格厌氧的专性光能自养菌，能利用硫化物或其他还原性无机 硫化物或h 。作电子供体，氧化硫化物生成元素硫沉淀于细胞外。不能利用硫酸 盐作硫源，具有固氮活性，有的菌种需要维生素b 1 。，不能利用有机物作唯一碳 源，虽然能在光照下同化乙酸，但必须同时存在硫化物和c o 。，不合成聚一1 3 一羟 基丁酸。这群细菌和紫硫细菌一起存在于光照和含有硫化物的厌氧水体中，一 些棕色菌种能生长在池塘和湖的深层处，个别菌株已从海港水体中分离到。绿 硫细菌的最适p h 为6 5 7 0 ，最适生长温度在2 0 3 0 之间。 紫硫和绿硫细菌可把下层水中生成的硫化物氧化成硫，进一步氧化成s o , 。 紫硫细菌在进行h 。s s o 反应的同时，也进行s “- - s 0 的反应，但后者反应很慢， 在反应过程中，生成的硫粒蓄积在细胞内。而绿硫细菌在h 2 s 存在的情况下， 只能进行h ：s s o 反应生成的硫粒附着在细胞外侧。由于绿硫细菌生活的厌氧 层不断有h 。s 产生，所以在细胞表面不断有硫粒蓄积，其中一部分硫粒被还原 】1 一 四川大学硕士学位论文 雠成基 图2 5 紫硫细菌，绿硫细菌和硫酸盐还原菌混合培养时营养物的互补关系 2 4 1 硫氧化光合菌的硫化物代谢机理 2 4 1 1 硫化物的氧化在c n l o r o b i a c e a e 和c h r o m a t i a c e a e 科的细菌中，硫 化物首先氧化成单质硫，生成的单质硫沉积于细胞内或细胞外“。不管怎样， 一旦培养液中的硫化物消耗殆尽，因s 2 。一s o 氧化反应是非酶反应，非常容易进 行，在厌氧的条件下进行着硫化物的氧化反应，而且其间的电子受体是通过细 胞膜到达细胞内部的电子受体的。这提示着有一个能把电子强力吸入细胞中的 氧化硫化物系统的存在。 核黄素一细胞色素c 使得硫化物容易被还原，它具有硫化物一细胞色素c 还 原酶活性，这种细胞色素与硫化物的代谢有密切关系。例如将l o k m o l n a 2 s 和 5 0 p m o l 马细胞色素c 混合，细胞色素c 除进行极缓慢的反应外不被还原，但是 在混合物中加入3 5 m m o l 核黄素一细胞色素c ，马细胞色素c 会迅速被还原。核 黄素一细胞色素c 的催化反应被k c n 强烈抑制，在8 0 加热2 分钟，其催化作 用就非常低。c 1 i m i c o l a f t h i o s u l f a t o p h i l u m 的核黄素一细胞色素c ( 即细胞 色素c 一5 3 3 ) ，在硫化物存在的f 青况下，它能还原该细菌的c 6 型细胞色素。在 ，】2 四川走学硕士学位论文 这种细菌中电子从s 2 。斗核黄素一细胞色素c jc 。型细胞色素c 传递，接着可能 传到由光激发的叶绿体。然而c h v i n o s u m 的核黄素一细胞色素c 的c 一5 5 2 不还原 这种细菌的c 6 型细胞色素c 一5 3 3 ，也不还原细胞色素c 高能非血铁蛋白质，核 黄素一细胞色素c 作用于硫化物氧化的生成物是单质硫。在 c 1 i m i c o l a f z h i o s u l f a t o p h i l u m ，c h v i n o s u m 中s 的氧化不仅仅生成单质硫， 也有s o 。2 。，s ：0 3 2 - 的生成，在这种情况下，它是由什么酶参与的反应还不清楚。 c 1 i m i c o l a f t h i o s u l f a t o p h 订u m 的细胞色素c 一5 3 3 既能产生气态的s 2 。，也能 产生$ 2 0 。c h v i n o s u m 中有亚硫酸盐还原酶的存在，催化s 生成s ：0 。 核黄素一细胞色素c 中具有以还原型苄基生物原为电子供体把s o 还原成h 。s 的活性，c 1 i m i c o l a f t h i o s u l f a t o p h i l u m 的活细胞不能利用c o ：，但给予s o ， 经光照射后，s o 的一半还原成h 2 s ，留下的一半成为硫酸盐。而c h v i n o s u m 的活 菌给予s o 能产生h 。s ，因此认为这样的反应与核黄素一细胞色素c 也有关系。 当s 2 氧化时，c h l o r o b i u m 是在菌体外，而c h r o m a t i u m 是在菌体内沉积s 。， 沉积的s o 被氧化成硫酸。其氧化机理目前还不十分清楚。从s o 粒子聚集来看， c h v i n o s u m 中在粒子表面上附着有分子量为1 3 5 0 0 的蛋白质。而c 1 i m i c o l a 中 s o 粒子的表面上也附着外来蛋白质。 己知红色非硫磺细菌中的某种物质也能氧化s 。s 。的氧化在这些细菌的光 合成中是否供给必要的电子还不清楚，至少红色非硫磺细菌中的s 2 + 的氧化不是 必需的。 2 4 1 2 亚硫酸盐的氧化“1在c h o l r o b i u m ，c h r o m a t i u m 中，s ，s 0 氧化的中 间体是亚硫酸盐。由c 1 i m i c o l a f t h i o s u l f a t o p h i l u m 的细胞色素c - 5 5 3 引 起的s 的氧化反应中也有亚硫酸盐的产生，但是，在新近的研究中并没有确认 亚硫酸眼的生成。即使作为s ，s o 的氧化中间体生成亚硫酸盐，但是光合细菌 中似乎并不存在如硫磺氧化细菌中已知的那种亚硫酸盐氧化酶，光合细菌中亚 硫酸盐是在a t p 和k 3 f e c n 。存在下由腺苷酸硫酸酯( a p s ) 还原酶催化的逆反应 而被氧化成硫酸盐。 s 0 ，+ a m p + 2 f 。( c n ) 6 3 - - - - a p s + 2 f 。( c n ) f a p s 十h p o 。2 一专a d p + s 0 4 。 最近从c h v i n o s u m 中发现有亚硫酸盐还原酶。这种酶在像还原型( 甲基生 四川大学硕士学位论文 物原) 那样的适当的电子供体存在下能使亚硫酸还原成s 2 ，而在生理上起逆向 作用参与s 2 。亚硫酸盐氧化反应。 2 4 1 3 硫代硫酸盐的氧化 c 1i m i c o l a f t h i o s u l f a t o p h i l u ，c h v i n o s u m 可通过氧化硫代硫酸盐而生 长，当然需在有与硫代硫酸盐氧化有关的酶参与的情况下才能生长，一般在光 合细菌中的硫代硫酸盐代谢的初期反应中，有下列三种类型： ( 1 ) 原分解型：s 2 0 3 2 一+ 2 e - - s 吁。+ s o ( 2 ) 具有硫氰酸酶活性的酶有关 s 2 0 3 + c n 一s c n 一+ s o 。2 一 ( 3 ) 硫代硫酸盐氧化酶作用的氧化 2 s 2 0 a - - - s 0 6 2 。+ 2 e 一 至今，从c 1 i m ic o l a f t h i o s u l f a t o p h i l u m 和c h v i n o s u m 内硫代硫酸 盐氧化酶中，未能纯化出催化( 1 ) ( 2 ) 反应的酶，而可以得到催化反应( 3 ) 的酶酬”。 2 4 2 硫氧化光合菌的氮代谢 几乎所有的光合细菌都具有固氮及利用氨的能力。所以有人提出氮固定性 能和具有脱氨性能的脱氨光合细菌是生物氮循环的两大要素。 2 4 2 1 有固氮作用的光合细菌 已经知道很多光合细菌具有固氮能力。其中h r o m a t i a c e a e ( 红色硫磺