（水文学及水资源专业论文）黄土中原生微生物处理煤矿酸性废水的试验研究.pdf

太原理+ i j 人学硕十研究生学位论文 黄土中原生微生物处理煤矿酸性废水的试验研究 摘要 我国是煤炭生产大国，但又是水资源贫国。采煤生产将宝贵的地f t k 变成酸性废水排出，排出的酸性废水又再次污染洁净的地表水和地下水资 源及土地资源，危害农作物、水生生物和人体的健康。煤矿酸性废水资源 化与无害化，既保护了水土环境，又将废水变成可利用的水资源，对我国 特别足西部地区有着重要的意义。 国内外关于煤矿酸性废水处理方法多采用建立污水处理厂来实现，其 主要缺点是基建工程和设备投资大，运行费用高，耗能大，处理量小，企 业很难负担，尤其是那螳分散的乡镇煤矿是很难做到的。因此，降低煤矿 废水处理成本的研究就显得很有意义。 我国中两部广泛分布着大面积的黄土资源，而土壤中存在着大量的微 生物，其中也包括硫酸盐还原菌，如果可以通过投加基质碳源对这些菌种 进行激活，使其大量繁殖，就可以方便地利用天然的土壤一微生物系统对含 硫酸盐酸性废水进行资源化处理，大大降低了投资费用，且简单易行，便 于推广。 本文选用具有代表性的上更新统( q 3 ) 马兰黄土、中更新统( q 2 ) 离 石黄土和【j 西孝义乡镇煤矿所排废水为研究对象，探讨通过投加碳源激活 黄十中的贫营养硫酸盐还原菌群，进而利用黄土一微生物系统处理煤矿酸性 废水的可行性。 本试验通过在系统中投加碳源，分别在室温下利用密闭容器和敝口土 柱做了静态和动态模拟试验，初步证明我们的研究思路是可行的。经过对 试验结果整理分析，得剑以下结论： 太原理1 ：人学硕十研究生学位论文 1 通过投加碳源激活黄土中的原生微生物，利用天然的黄土微生物系 统来处理煤矿酸性废水的思路是可行的。实验证明，静态试验中黄土一微生 物系统对硫酸根( 初始浓度为2 8 0 0m g l ) 的最大去除率为9 4 2 ，动态试 验中对硫酸根( 初始浓度为2 2 0 0m g l ) 的最大去除率为9 5 5 ，动态试验 中硫酸根的降解速率比静态试验中快的多。 2 静态模拟试验中，马兰黄土中硫酸盐还原菌对硫酸根的最高去除率 ( 9 4 2 ) 要高于离石黄土( 7 4 3 ) 。马兰黄土加1 2 0 0m g l 葡萄糖时对硫 酸根去除效果最好，离石黄土加8 0 0m g l 葡萄糖时对硫酸根去除效果最好。 3 动态模拟试验中，以低有机质的城市生活污水提供碳源，马兰和离 石土柱中都未能达到硫酸盐还原菌群生长所需的还原环境，黄土中的微生 物未能被有效激活，硫酸根的去除主要依靠黄土本身的作用，因而未能形 成有效且持续的去除效果。 4 动态模拟试验中，在室温下( 1 4 1 9 ) ，以高有机质废水提供碳 源，马兰黄土土柱2 0c m 深度处达到了还原态，硫酸根最高去除率为6 7 ； 而离石黄土土柱中很快从氧化态转变为适合硫酸盐还原菌生长的还原态， 2 0c m 深度处在试验进行到8 2d 时达到最大去除率9 5 5 ，8 0 4 2 - 的去除率 随着深度的增加有所降低。离石黄土土柱对酸性废水的处理效果优于马兰 黄土。 关键词：黄土中原生微生物，煤矿酸性废水，废水资源化 太原理l ：人。学硕 ：研究生学传论文 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o nt h et r e a t m e n to fa c i dc o a lm i n ed r a i n a g e b yi n d i g e n o u sm i c r 0 0 r g a n i s mi nl o e s s a bs t r a c t c h i n ai sab i gc o a l m i n i n gc o u n t r yw h e r et h e w a t e rr e s o u r c e sa r e i n s u f f i c i e n t t h r o u g hm i n i n g ，t h ep r e c i o u su n d e r g r o u n dw a t e ri s t u r n e di n t o d i s c h a r g e d a c i d d r a i n a g e ，w h i c h i nt u mp o l l u t e sc l e a n s u r f a c ew a t e r , u n d e r g r o u n dw a t e ra n dl a n dr e s o u r c e s ，d o e sh a r mt oc r o p s ，t oa q u a t i cl i v e sa s w e l la st oh u m a nh e a l t h i ft h ea c i dd r a i n a g ei su t i l i z e dr e a s o n a b l ya n dt u r n e d i n t os o m e t h i n gh a z a r d l e s s ，n o to n l yc a nw a t e ra n dl a n dr e s o u r c e sb ep r o t e c t e d b u ta l s od r a i n a g ec a nb et u r n e di n t ou s e f u lw a t e rr e s o u r c e s ，w h i c hi so ft h ef i r s t i m p o r t a n c et oc h i n a ，t h ew e s t e ma r e ai np a r t i c u l a r a th o m ea n da b r o a d ，t h ea c i dd r a i n a g ef r o mc o a lm i n e si sd i s p o s e dm a i n l y b yd r a i n a g ep l a n t s ，w h i c hh a st h em a i nd i s a d v a n t a g e so fl a r g ei n v e s t m e n ti n i n f r a s t r u c t u r ea n de q u i p m e n t ，h i g hc o s ti no p e r a t i o na n ds m a l lt r e a t m e n tv o l u m e c o n s e q u e n t l y , c o a lm i n e s ，p a r t i c u l a r l yt h o s ed i s p e r s i v e l y d i s t r i b u t e dt o w n s h i p m i n e sc a nh a r d l ya f f o r dt h ec o s ta n di ti sm e a n i n g f u lt od or e s e a r c hi nr e d u c i n g t r e a t m e n tc o s to fd r a i n a g e t h em i d w e s t e r na r e a so fc h i n ab o a s ta b u n d a n tl o e s s ，w h e r el i v eag r e a t a m o u n to fm i c r o o r g a n i s m ss u c ha ss u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i a i ft h eb a c t e r i aa r e 太原理j ：大学硕十研究生学位论文 a c t i v a t e db ys u p p l e m e n t i n gb a s ec a r b o ns o u r c et oe n a b l et h e mt or e p r o d u c e a b u n d a n t l y , t h e na c m d c a nb er e c l a i m e dt h r o u g hn a t u r a ll o e s s - m i c r o o r g a n i s m s y s t e m ，w h i c hl o w e r si n v e s t m e n tb yal a r g em a r g i n f u r t h e r m o r e ，t h et r e a t m e n t m e a n si sa p p l i c a b l ea n de a s yt ob ep o p u l a r i z e d t h et h e s i ss e l e c t st y p i c a lm a l a nl o e s s ( q 3 ) ，l i s h il o e s s ( q 2 ) a n dt h ew a s t e w a t e rd i s c h a r g e df r o mt h ec o a lm i n e so ft h e t o w n s h i p sa n dt o w n si nx i a o y i c o u n t y , s h a n x ip r o v i n c ea sr e s e a r c ho b je c t si no r d e rt os t u d yo nt h ef e a s i b i l i t y t h a ti n d i g e n o u sb a c t e r i ai nl o e s si sa c t i v a t e dt or e d u c es u l f a t eb ys u p p l e m e n t i n g c a r b o ns o u r c ea n dt h e nt h el o e s s m i c r o o r g a n i s ms y s t e mi su t i l i z e dt ot r e a ta c i d w a s t ew a t e rf r o mm i n e s i nt h i sr e s e a r c h ，s t a t i ca n dd y n a m i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r em a d ea t r o o mt e m p e r a t u r er e s p e c t i v e l yi ns e a l e dc o n t a i n e r sa n du n s e a l e ds o i lc o l u m n sb y a d d i n gc a r b o ns o u r c et ot h es y s t e m ，w h i c hp r o v e st h a to u rt r a i no ft h o u g h ti s f e a s i b l e a f t e rt h ea n a l y s i st ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s c a nb ed r a w n ： ( 1 ) t h em e t h o dt h a tl o e s s m i c r o o r g a n i s ms y s t e mt r e a t sa c m dt h r o u g h s u p p l e m e n t i n gc a r b o ns o u r c et oa c t i v a t ei n d i g e n o u ss u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i ai n s o i li sf e a s i b l e t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h em a x i m u mr e m o v a lr a t eo fs 0 4 2 i s9 4 2 i ns t a t i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ( o r i g i n a lc o n c e n t r a t i o n2 8 0 0m g l ) a n d9 5 5 i nd y n a m i ce x p e r i m e n t s ( o r i g i n a lc o n c e n t r a t i o n2 2 0 0m g l ) b y l o e s s m i c r o o r g a n i s ms y s t e m s d e g r a d a t i o n o fs 0 4 2 。i sf a s t e ri n d y n a m i c e x p e r i m e n t st h a nt h a ti ns t a t i co n e s i v ( 2 ) i ns t a t i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h em a x i m u mr e m o v a lr a t eo fs 0 4 2 一i s l a r g e ri nm a l a nl o e s s ( 9 4 2 ) t h a nt h a ti nl i s h il o e s s ( 7 4 3 ) b ys r b t h e r e m o v a le f f i c i e n c yr e a c h e st h em a x i m u mw h e nm a l a nl o e s si sa d d e di n t o12 0 0 m g lg l u c o s e ，w h i l et h er e m o v a le f f i c i e n c yr e a c h e st h em a x i m u mw h e nl i s h i l o e s si sa d d e di n t o8 0 0m g lg l u c o s e ， 、 t t j ji nd y n a m mm m u l a t l o ne x p e r i m e n t s ，c a r b o ns o u r c ec o m e sf r o ml o w o r g a n i cs e w a g e t h em a l a na n dl i s h il o e s sc o l u m n sd on o tp r o v i d e dt h e r e d u c t i o ne n v i r o n m e n tf o rt h eg r o w t ho fs r bs ot h a tt h em i c r o o r g a n i s mi nl o e s s c a n n o tb ea c t i v a t e d t h er e m o v a lo f $ 0 4 2 - m a i n l yd e p e n d so nt h el o e s si t s e l f , f a i l i n gt op r o d u c i n ge f f e c t i v ea n dl a s t i n gr e m o v a le f f e c t ( 4 ) i nd y n a m i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa tr o o mt e m p e r a t u r e ( 14 19 。c ) ，h i g ho r g a n i cs e w a g ep r o v i d e sc a r b o ns o u r c ef o rt h es y s t e m t h e m a l a nl o e s sc o l u m na tt h e d e p t ho f2 0 c md e v e l o p st h er e d u c t i o n e n v i r o n m e n ta n dt h eh i g h e s tr e m o v a le f f i c i e n c yo fs 0 4 二i s6 7 w h i l et h e t 。 -一一 l l s n ll o e s sc o l u m nt u r n sr a p i d l yi n t ot h er e d u c t i o ne n v i r o n m e n tf r o mt h e o x i d a t i o ns t a t ea n dt h ed e p t ho f2 0 c mo b t a i n st h em a x i m u mr e m o v a l e f f i c i e n c yo fs 0 4 二9 5 5 o n8 2d t h e r e f o r e ，t h er e m o v a lr a t eo fs 0 4 2 - i s l o w e r e da st h ed e p t hi n c r e a s e d t h et r e a t m e n te f f e c to fl i s h il o e s sc o l u m n t oa c i dd r a i n a g ei sb e t t e rt h a nt h a to fm a l a nl e s sc o l u m n k e y w o r d s ：l o e s s m i c r o o r g a n i s ms y s t e m ，a c i dc o a lm i n ed r a i n a g e ( a c m d ) ， w a s t e w a t e rr e s o u r c e sr e g e n e r a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v l 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 谂文作者签名：到 至查日期：塑壁：么：么 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； - 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：_ 富灶l 日期：筮奠l _ 一l 厶一 导师签名：_ = 兹萑牝日期：卫丝兰季二丛 太原理工大学硕十研究生学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 酸性煤矿废水的成因【1 】 第一章绪论弟一早三百y 匕 煤系地层中含有硫铁矿( f e s 2 ) 等金属硫化物，煤炭的开采使氧气大量进入，金属 硫化物被氧化生成硫酸，这样煤矿排水的p h 值会降低，会含有大量的硫酸根离子，因 此，煤矿的开采过程总是伴随着大量酸性废水的排出。 硫铁矿氧化产酸过程可划分为两个阶段：第一阶段是以自然界中的氧参加为主的反 应，主要生成产物为硫酸和硫酸亚铁，且在氧充足时亚铁可被氧化成高铁，但此过程极 为缓慢；第二阶段是p h 值降至4 5 以后，细菌参与了硫铁矿氧化过程，这时的反应比 第一阶段快。其主要过程如下： 1 f e s 2 的氧化作用 ( 1 ) 在氧和水存在的条件下，煤系地层中硫铁矿被氧化，生成硫酸和亚铁离子： 2f e s 2 + 7 0 2 + 2 h 2 0 = 4 h + + 2 f e 矿+ 4 s 0 4 厶 ( 1 1 ) ( 2 ) 在酸性条件下，亚铁离子被进一步氧化成铁离子： 4 f e 2 + + 0 2 + 4 h + = 4 f e 3 + + 2 h ，o( 1 2 1 ( 3 ) 由于f e ”在p h 值大于3 5 时，水解生成氢氧化铁，增加了煤矿矿井水的酸度： f e j + + 3 h 2 0 = f e ( o h ) 3l + 3 h +( 1 3 ) 从以上反应式可以看出，2 m 0 1 的f e s 2 氧化产生6 m o l 的h + 和2 m o l 的f e ( o h ) 3 ，结 果不但使矿井水呈酸性，而且因f e ( o h ) 3 悬浮于水中，使其呈黄褐色。 同时研究发现，f e s 2 的氧化产物f e ”对f e s 2 具有氧化作用： f e s 2 + 1 4 f e 3 + + 8 h 2 0 = 1 5 f e 2 + + 2 s 0 4 2 + 1 6h + ( 1 4 ) 因此加快了f e s 2 氧化速度，增加了矿井水的酸度。 2 细菌的催化作用 b a m e sh l 、张连瑞等人研究发现，细菌在酸性矿井水形成过程中起重要的催化作 用。与硫铁矿类产酸有关的细菌主要是氧化亚铁硫杆菌、氧化硫杆菌、氧化铁硫杆菌生 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 3 0 4 7 0 2 6 9 ) 太原理丁大学硕十研究生学位论文 金属菌【2 】。它们在一定的p h 值和温度范围内有较强的催化氧化活力，在常温下能使硫 铁矿的氧化速率提高几十倍。、砌s h 实验表明【3 】氧化铁硫杆菌将亚铁氧化的同时，二 氧化碳被细胞利用，转化为细菌体物质。如此循环使生物氧化持续发展，导致大量酸性 废水产生。 酸的生成量与煤的含硫量、煤层的赋存条件、采煤方法、井下涌水量、通风量以及 微生物的种类和数量等有着密切的关系，另外还有一些来自煤中的有机硫被氧化后也会 生成酸。据统计，含硫量 5 7 时，矿井水的p h 值为6 5 5 ；含硫量 7 9 时 p h 值为5 5 3 5 ；含硫量 9 1 1 时p h 值为3 ；含硫量 1 2 时p h 降至2 5 以下。酸 性矿井水的形成是一个较为复杂的过程，是物理、化学、生物作用的综合结果。 1 1 2 酸性矿井水的水质特征 1 1 2 1 我国酸性矿井水的水质特征 我国酸性矿井水可分为含铁酸性矿井水和不含铁酸性矿井水两大类。对含铁酸性矿 井水主要污染物为：1 ) 大量的氢离子，p h o 。0 5m m ) 含量逐渐减少，粘粒( o 0 5m m ) 含量增多，粘粒( 0 1m d ) 外，孝义、汾阳、偏关等地的为弱透水( 1 k 0 1m d ) 。 2 2 黄土的矿物组成以及化学成分 2 2 1 黄土的矿物组成 黄土是一种碱性风化壳，矿物成分复杂，种类繁多，已发现的矿物达6 0 多种。矿 物成分有碎屑矿物、粘土矿物及自生矿物三类。碎屑矿物主要是石英、长石和云母，占 碎屑矿物的8 0 ，其中以石英( s i 0 2 ) 为主，占5 0 以上，长石次之，占2 0 左右，云母 占第三位，还有辉石、角闪石、绿帘石、绿泥石、磁铁矿等。黄土中的碎屑矿物一般有 明显的棱角，表面新鲜，表明黄土沉积后没有受到强烈风化。此外，黄土中碳酸盐矿物 含量较多，主要是方解石( c a c 0 3 ) 。粘土矿物主要是伊利石、蒙脱石、高岭石、针铁矿、 含水赤铁矿等。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 关于更新统中自下而上的午城黄土、离石黄土、马兰黄土的矿物成分，以刘东生、 王克鲁【4 7 1 1 9 6 4 年对隰县午城柳树沟黄土剖面的研究最为详细，而且所作的总结和论述， 对于山西境内以至黄河中游的黄土来说具有普遍性： 幻不同层位的黄土其矿物成分极其相似，种类自下而上基本一致，并无较大的差 距。从矿物的形状看，均以半棱角和棱角状为特征，圆滑的颗粒比较少。 b ) 属于轻矿物方面的石英和长石为组成黄土的主要矿物，它们在不同层位黄土中 的含量变化范围极小，在垂直剖面上几乎看不出多大变化。 c ) 按抗化学风化程度的大小比较，除不稳定组合的矿物含量有显著变化外，对于 较稳定、稳定和极稳定的矿物组合来说，其在自下而上不同黄土层位中的含量变化范围 基本不大。 d ) 不稳定的组合矿物沿剖面自下而上含量逐渐增大的现象，有可能表明黄土堆积 时期的气候条件愈来愈干燥。 黄土矿物成分的上述特征是指自下而上各层黄土母质而言。关于各层位黄土中古土 壤的矿物成分特征，与同层位的黄土母质层主要矿物成分及矿物组合基本相同，唯稳定 性较好的矿物的含量相对较多，且自下而上有含量逐渐变低趋势。从区域上各地对比看 来，无论是黄土母质层还是古土壤层，在主要矿物成分及其各类组合方面均无较大差异 和明显的方向性趋势变化。 2 2 2 黄土的化学成分 黄土的化学成分是由所有矿物颗粒的总成分、各类水溶盐化合物、被吸收的盐基成 分以及悬浮液的反应特性来决定的。 黄土最主要的矿物组成是s i 0 2 和倍半氧化物，无论是在黄土的粗颗粒中，还是在 细散颗粒中，都含有这些成分。对于有黄土分布的各个地区，s i 0 2 和倍半氧化物的相对 含量具有某些规律性的变化，这种变化与黄土的成因以及所处的地理环境和地貌部位等 有关。可以看到这样的规律：越靠近冰川、河流和其他水道的谷地，s i 0 2 的含量越高， 倍半氧化物2 0 3 和f e 2 0 3 的含量则越低，它证明黄土沉积层具有局部的分带。 个别地区黄土的碳酸盐含量相当大。碳酸盐含量是用黄土总成分中的c 0 2 含量来表 示的。黄土中的碳酸盐能赋予黄土以结晶强度，这种结晶强度是由碳酸钙和石膏薄膜的 胶结作用造成的。 太原理：【大学硕士研究生学位论文 黄土中还含有o 1 0 9 的腐殖质化合物，它的存在是微生物作用的结果【4 3 1 。 本试验所用黄土均为山西黄土，在此着重介绍山西黄土的化学成分。 ( 一) 钙质结核 山西黄土堆积中，钙质结核比较发育，其化学特征自下而上具有如下规律： 1 ) p h 值一般在5 7 之间，显中一偏酸性；个别地方p h 为8 9 ，显偏碱性。 2 ) m n o 、p 2 0 5 含量基本相同。 3 ) c a o 含量逐渐变小，烧失量呈相同变化趋势。 4 ) k 2 0 和n a 2 0 含量( 即碱性程度) 逐渐增大。 5 ) s i 0 2 、a 1 2 0 3 、t i 0 2 、m g o 等逐渐增大。 6 ) 硅铝比值逐渐增大。 7 ) 三价铁与二价铁比值以及钙、镁比值等有由大变小趋势。 ( 二) 黄土母质和古土壤 山西黄土母质和古土壤的主要化学组分为s i 0 2 、a 1 2 0 3 、c a o ，其次是m g o 、k 2 0 、 n a 2 0 、f e o 、t i 0 2 等。有关氧化物的含量是：s i 0 2 一般在5 0 以上，砧2 0 3 在1 3 左右， c a o 变化较大，一般在1 0 以内，三者含量高达7 0 。f e 2 0 3 约占3 - - - 6 ，m g o 与k 2 0 各为2 一- 3 ，n a 2 0 仅占1 2 ，f e o 及t i 0 2 等均小于1 。 在各类黄土中，其主、次化学组分虽然近似，但具体含量在自下而上的纵剖面以及 区域上则有程度不同的差异和某种规律性变化： 1 ) a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、m g o 、k 2 0 及结晶水随着地层时代由老至新，其百分含量自下 而上逐渐递减。而f e o 、c a o 、n a 2 0 及烧失量等百分含量值则自下而上逐渐递 增。在各时代的河流相地层中f e 2 0 3 、f e o 、m g o 、k 2 0 、n a 2 0 等氧化物的百 分含量亦具有上述变化趋势。 2 ) 在各层位的黄土中，其间古土壤主要化学组分的百分含量，一般均比相同层位 的黄土母质层中同种组分为高，高出范围一般为l 3 。 3 ) 第四纪更新世黄土及黄土状岩石的化学组分的百分含量，在区域上有由北向南， 从西到东逐渐增大或减少的趋势。 其它化学特征的变化规律有： 1 ) 硅铝系数( 鼬) 、铁化系数( t ) 、钙镁系数及基性系数( b a ) 等，随着地层时代的由 老至新比值逐渐递增，钾钠系数则相反，由老至新则逐渐递减。 2 ) 黄土母质层与古土壤之间有关氧化物比值具有明显的差别。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ) p h 值一般在7 0 左右，古土壤层亦均低于相应母质层数值，在纵向上，有自下 而上逐渐增大趋势，在横向上则无明显规律性变化。 山西黄土中s i 0 2 和a 1 2 0 3 含量最高，与矿物石英和长石含量高有关；c a o 、m g o 含量较高，是与黄土中有较多碳酸盐矿物及碳酸钙胶结物有关。不同时代黄土的化学成 分基本类似，这与其矿物成分的类似有密切关系，化学成分的类似也同样反映了矿物成 分来源的共同性和沉积过程中的稳定性。 2 3 黄土中的微生物 土壤具有微生物生长繁殖所需要的一切营养物质及各种条件，因此土壤是微生物良 好的生活场所，有“微生物的天然培养基 之称。土壤中的微生物 4 8 “9 】种类繁多，数量 极大，一克肥沃土壤中通常含有几亿到几十亿个微生物，贫瘠土壤每克也含有几百万至 几千万个微生物，一般来说，土壤越肥沃，微生物种类和数量也越多。另外，土壤表层 或耕作层中及植物根附近微生物数量也较多。微生物是地球上最原始也是最古老的生 命，据已有的研究表明，早在3 8 亿年前就有了微生物存在。微生物分布广泛，种类繁 多，是地球上的“清洁工 ，它们参与地球上的元素循环，分解矿化动植物残骸，使氧、 碳、氮、硫、磷等元素大致保持平衡，保证了生物圈的存在。此外，微生物还是生物成 矿作用中重要的“成员 ，通过多种方式使环境中的f e 、m n 等金属元素沉积成矿。 目前了解到的黄土中的微生物主要有以下几种： 1 1 趋磁细菌 趋磁细菌是一种喜水微生物，其生活习性因所在环境不同而异，体现在菌体的多少、 大小、形态以及变化、菌体内磁小体颗粒的多少、大小以及形态等诸多方面。趋磁细菌 的形态多种多样，目前为止主要发现有球形菌( c o c c u s ) 、弧形菌( v i b r i o d ) 、似螺旋菌 ( s p i r i l l u m ) 、杆状菌( r o d d i s h ) 等，菌体大小一般在4 岬以内，有的可达9 p m 。趋磁性是 趋磁细菌最基本的特征，黄土中趋磁细菌较少。 2 ) 氨化细菌 土壤中的氨化细菌能使动植物残体中含有的蛋白质氨化，这类细菌具有蛋白酶和肽 酶，能水解蛋白质为氨基酸和氨。氨化细菌参与土壤中有机态氮转化为n 池+ 的过程。 由于这类细菌的活动，使土壤中不能被植物所利用的有机含氮化合物转化为可利用的 氮，为植物及一些自养和异养微生物的繁殖和活动创造了良好的营养条件。氨化细菌在 太原理丁大学硕t 研究生学位论文 马兰黄土中的数量比较多，说明马兰黄土的有机质含量较高。 3 ) 固氮菌 固氮菌是一类具有固定大气氮素能力的菌，包括好气性白生固氮菌、嫌气性固氮菌、 固氮蓝细菌以及一些放线菌和真菌等。根据李翔对关中盆地马兰黄土的研究可知，马兰 黄土中固氮菌在3 0m 以上主要是好气性自生固氮菌，随深度增加而减少，因为随深度 增加，氧含量降低导致好气性自生固氮菌数量减少。但是在3 0m 以下主要是嫌气性固 氮菌、固氮蓝细菌以及一些放线菌和真菌等，随着深度增加固氮菌数量呈现增加趋势， 这是由于随着氧含量降低，嫌气性固氮梭菌、固氮苗细菌、放线菌的数量增加。 4 ) 硝化细菌 硝化细菌具有将n h 4 + 氧化成n 0 3 - 的能力。土壤中的无机含氮化合物，主要是以 n 0 3 一的状态存在。对植物来说，n 0 3 - 是最好的氮素养料，但是n 0 3 - 也是土壤和地下水 中氮污染的主要形式。 5 ) 反硝化菌 反硝化菌是一类可以将n 0 3 - 还原的细菌。反硝化菌大部分是异养菌，氧化有机质 以取得能源，以n 0 3 - 为电子受体。是兼性细菌，在通气良好的条件下，利用氧完成其 最终氧化作用，而在通气不良的条件下，利用n 0 3 - 和n 0 2 - 作为呼吸作用的最终电子受 体，将其还原为n z o 和n 2 。反硝化菌在马兰黄土中的数量较多。， 6 ) 硫酸盐还原菌( s r b ) 硫酸盐还原菌( s r b ) 是在无氧状态下，用乳酸或丙酮酸等有机物作为电子供体， 用硫酸盐作为末端电子接受体而繁殖的一群偏性嫌气性细菌5 0 1 。 硫酸盐还原茵是本文研究的重点，其生长特性及影响因子将在下一章详细说明。 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章硫酸盐还原菌及其特征 3 1 硫酸盐还原菌及其分类 硫酸盐还原菌( s r b ) 是首先由b e i j e r i n c k 于1 8 9 5 年发现的【5 1 】。s r b 是一类形态、 营养多样化的，在无氧或极少氧条件下，以有机物( 如乳酸等) 作电子供给体，硫酸盐作 为末端电子接受体，营异养生活、繁殖，即通过异化作用进行硫酸盐还原反应的厌氧细 菌的总称。所有的硫酸盐还原菌都不能以氧作为电子受体，氧抑制s r b 的生长。 s r b 的一个重要生理特征是生长力强【5 2 】。它广泛存在于水田、湖、沼、河川底泥、 石油矿床等自然界中。s r b 不仅具有广泛的基质谱，生长速度快，还具有某些特殊的生 理性质，如含有不受氧毒害的酶系，因此可以在广泛的环境中生存，甚至包括有氧环境， 保证了s r b 有较强的生存能力和适应环境变化的能力。 s r b 广泛存在于由微生物分解作用造成的缺氧的水陆环境之中。最著名的是脱硫弧 菌属，它通常生活在含有丰富有机物的高含量硫酸盐的水中或有积水的土壤中。脱硫肠 状菌是土壤中发现的内生芽孢杆菌并且有一个亚种是嗜热的。这种菌在罐头食品中生长 并还原硫酸盐而导致食物腐败称为硫化物恶臭。其他种类的s r b 是无氧淡水或海洋中 的土著菌群；脱硫单胞菌也可从哺乳动物的肠道内分离出来。 从微生物角度看，人们将s r b 分为1 1 个属4 0 多个种。近年来，人们已经较成功 掌握了1 5 个s r b 种属，其中参与废水处理的有9 个属，主要的两个属为d e s u l f o v i b r i o 和d e s u l f o t o m a c u l u m 。前者一般为中温或低温型，不形成孢子，环境温度超过4 3 会死 亡；后者是中温或高温型，形成孢子，二者均为革兰氏阴性菌。s r b 的营养多样性水平 也相当高，根据废水中s r b 可利用底物的不同，s r b 可分为四类：氧化氢的硫酸盐还 原菌( h s r b ) ；氧化乙酸的硫酸盐还原菌( a s r b ) ；氧化较高级脂肪酸的硫酸盐还原菌 ( f a s r b ) ；氧化芳香族化合物的硫酸盐还原菌( p s r b ) 【5 3 】。 根据营养代谢产物不同，s r b 可分为完全氧化型和不完全氧化型啤】：前者最终代谢 产物为c 0 2 和h 2 0 ，如d e s u l f o n e m a ；不完全氧化型最终产物为乙酸，这些s r b 不能利 用乙酸，d e s u l f o v i b r i o 属的许多种属于不完全氧化型，但是d e s u l f o v i b r i ob a a r s i 属于完 全氧化型。 根据s r b 生长对温度的要求，可将其分为中温菌和嗜热菌两类。虽然这两种菌属不 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 能完全相互转化，但有机体对温度和盐度具有较高的适应力。一般来说，氧抑制s r b 生长，与普通的土壤或水体中的微生物如假单胞菌相比，s r b 生长速率相当缓慢，但是 它们也有极强的生存能力，且分布广泛。 3 2s r b 的代谢机理 硫酸盐的存在能促进s r b 的生长，但不是其生存和生长的必要条件。在缺乏硫酸 盐的环境下，s r b 通过进行无s 0 4 2 参与的代谢方式生存和生长，但环境中出现了足量 的硫酸盐后，因为硫酸盐还原反应的产能水平更高，硫酸盐还原反应立即发生，即s r b 的代谢方式发生转变，此时以s 0 4 2 为电子受体氧化有机物，通过对有机物的异化作用， 而获得生存所需的能量，维持生命活动【5 5 1 。 可以简单的将s r b 的代谢过程分为3 个阶段【5 6 】：分解阶段、电子传递阶段和氧化 阶段，如图3 1 。 产物 碳源 s 0 4 2 + h 2 0 黄素蛋白细胞色素c 3 等 r r1 消耗a t p h 分解代谢电子传递氧化 图3 - 1s r b 代谢过程 f i g 3 - 1m e t a b o l i cp r o c e s so fs r b a t p 硫酸化酶 1 分解代谢阶段，有机物碳源的降解是在厌氧状态下进行的，同时通过“基质水 平磷酸化”产生少量a t p ； 2 电子传递阶段，前一阶段释放的高能电子通过硫酸盐还原菌中特有的电子传递 链( 如黄素蛋白、细胞色素c 等) 逐级传递产生大量的a t p ； 3 氧化阶段，电子被传递给氧化态的硫元素，并将其还原为s 二，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s r b 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，即s r b 利用s 0 2 - 作为最终电子受体，将有 机物作为细胞合成的碳源和电子供体，同时将s 0 4 2 一还原为硫化物。它首先在细胞外积 太原理丁大学硕+ 研究生学位论文 累，然后进入细胞。在细胞内，第一步反应是s 0 4 2 的活化，即s 0 4 2 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 很快分解为无机磷酸( p i ) ，推动反应不断前进。 a p s 继续分解成$ 2 0 5 2 。，$ 2 0 5 2 极不稳定，很快转化为中间产物连二亚硫酸盐( s 2 0 4 2 。) ， s 2 0 4 2 。又迅速转化为s 3 0 6 2 。，$ 3 0 6 2 分解成硫代硫酸盐( s 2 0 3 2 - ) 和亚硫酸盐( s 0 3 2 ) ，$ 2 0 3 2 - 又经自身的氧化还原作用，变成s 0 3 2 - 和最终代谢产物s ，s 2 。被排出体外，进入周围环 境，有关方程式如下： a t p 一硫酸化酶 a t p + s 0 4 2 。a p s + p p i 焦磷化酶 p p i + h 2 0 2 p i a p s 还原酶 a p s + 2 e s 0 3 2 + a m p s 0 3 2 一s 2 0 5 2 丝一s 2 0 4 2 - 翌一s 2 0 3 2 垄啼s 2 。 l s 0 3 2 - 上述s 0 3 2 - 还原成s 2 - 的过程中需要6 个电子，由亚硫酸还原酶复合物系统逐步催化 进行。但又有研究者提出了不同的还原途径，如下： 但这两种还原途径都显示出s 0 3 2 。还原成s 2 一的过程中有3 种酶参与了5 0 3 2 - 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。 因此把硫酸盐还原过程的三个阶段连接起来，即为： s 0 4 2 一s 0 4 2 一+ a t p a p s + p p i 2 p i 胞内胞外 s 2 。卜一s 2 l 殄吁旷舰c!舢 摇船出毋 太原理t 大学硕十研究生学位论文 3 3s r b 可利用的基质碳源 s r