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硫酸盐还原菌分解硫酸盐矿物过程及环境效应 摘要 本文以牛肉膏作为碳源，接种活性污泥，初步探讨在厌氧体系中添加不同种铁氧 化物对硫酸盐矿物分解过程的影响，揭示硫酸盐矿物分解机制及分解过程中产生的环 境效应。 通过对反应体系溶液p h 、铁离子、硫酸根浓度、c o d 以及固体产物的s e m 和 e d s 图谱分析，说明铁氧化物对s r b 分解硫酸盐矿物起着明显的协同作用：( 1 ) 被铁 还原菌还原的f e 2 + 与硫酸盐还原等产生的硫化氢反应形成铁硫化物，消除硫化氢对 s r b 分解硫酸盐的抑制作用；( 2 ) 铁氧化物还原溶解，提高体系的p h 和碱度，增加生 化产物c 0 2 的溶解，诱导溶解的钙离子形成方解石沉淀，促进s r b 分解硫酸盐矿物 的过程。新生矿物方解石的形成说明在分解过程中可以发生固碳反应，减少温室气体的 排放。本研究在一定程度上可以解决工业副产品合理利用问题，减轻对水体和大气的 污染。通过固碳作用从而对控制温室效应以及保护环境这两方面产生积极的影响。 关键词：硫酸盐还原菌分解硫酸盐矿物环境效应 t h e d e c o m p o s i t i o no f s u l f a t em i n e r a la n de n v i r o n m e n t a l e f f e c t sb ys u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i a a b s t r a c t u s i n gb e e fe x t r a c ta sc a r b o ns o u r c ea n di n o c u l a t e dw i t ha c t i v es l u d g e ，t h ee x p e r i m e n t w a sp e r f o r m e dt od i s c u s st h ei n f l u e n c e so nd e c o m p o s i n go fs u l f a t em i n e r a l sb ys u l f a t e r e d u c t i o nb a c t e r i a ( s r b ) b yt h em e t h o d so fa d d i n gd i f f e r e n ti r o no x i d e su n d e ra n o x i e c o n d i t i o n t h ep a p e rr e v e a l e dt h ed e c o m p o s i t i o nm e c h a n i s ma n dt h ee n v i r o n m e n t a le f f e c t s w ea n a l y z e dt h ep h 、i r o ni o n ，s u l f a t ec o n c e n t r a t i o no ft h es y s t e ma n dp r o d u c t sb yu s i n g t h ea n a l y s i so fs e ma n de d s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei r o no x i d e sh a do b v i o u s l y s y n e r g i s t i ce f f e c to nd i s s o l u t i o no fs u l f a t em i n e r a l t h es y n e r g i s t i ca c t i o nm e c h a n i s mi st h a t ， ( 1 ) t h ef e pw h i c hw a sr e s t o r e db yi r o n r e d u c i n gb a c t e r i ac o u l dr e a c tw i t hh 2 sw h i c h r e l e a s e df r o ms u l f a t er e d u c t i o nf o r m e di r o ns u l f i d e i tc o u l de l i m i n a t et h er e s t r a i na c t i o no f s u l f a t ed e c o m p o s i t i o nb ys r bo fh 2 s ( 2 ) t h ep ha n da l k a l i n i t yo ft h es y s t e mw a s e n h a n c e dw i t ht h ei n c r e a s i n g l yd i s s o l v i n go ft h eb i o c h e m i c a lp r o d u c t i o nc 0 2d u et ot h e d e o x i d i z i n gd i s s o l u t i o no fi r o no x i d e t h ec a l c i u mi o nw h i c hi n d u c e dd i s s o l u t i o nt u r n e dt o c a l c i t et h e ns e t t l e da ss e d i m e n ta n da l s oa c c e l e r a t e dt h ed e c o m p o s i t i o np r o c e s so fs u l f a t e m i n e r a lb ys r b t h ef o r m a t i o no fn e wm i n e r a lc a l c i t ec o u l ds h o wt h a tc a r b o n s e q u e s t r a t i o nr e a c t i o no c c u r r e dd u r i n gt h ed e c o m p o s i t i o np r o c e s sa n dr e d u c e dt h ee m i s s i o n o ft h ew a r m i n gg a s t h i sr e s e a r c hc a nr e s o l v et h ep r o b l e mo ft h er a t i o n a lu s eo fi n d u s t r i a l b y p r o d u c t sa n dl i g h t e nt h ep o l l u t i o no ft h ew a t e r sa n dg a s t h ep o s i t i v ee f f e c t so f c o n t r o l l i n gg r e e n h o u s ea n de n v i r o n m e n t a lb yt h ec a r b o ns e q u e s t r a t i o nr e a c t i o n k e yw o r d s ：s u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i a ；d e c o m p o s e ；s u l f a t em i n e r a l ；e n v i r o n m e n t a l e f f e c t s i i 插图清单 图1 1 硫酸盐还原菌的扫描电镜图片6 图1 2 硫酸盐还原菌的代谢过程8 图1 3 硫酸盐还原的可能途径1 0 图2 1 硫酸根浓度变化趋势图1 6 图2 2c o d 变化趋势图l6 图2 3p h 变化趋势图17 图3 1 石膏x r d 图谱2 1 图3 2 硬石膏x i 山图谱一2 l 图3 3 针铁矿x r d 图谱2 1 图3 - 4 铁氧化物对石膏和硬石膏体系p h 值的影响2 5 图3 5 铁氧化物对石膏和硬石膏体系8 0 4 2 - 浓度的影响2 6 图3 - 6 铁离子浓度变化趋势2 7 图3 7 铁氧化物对c o d 去除率的影响2 8 图3 8 石膏体系固体产物s e m 和e d s 分析2 9 图3 - 9 硬石膏体系固体产物s e m 和e d s 分析3 0 图4 1 体系p h 变化趋势3 2 图4 2 体系中s 0 4 2 变化趋势3 3 图4 3 体系铁离子浓度变化趋势3 3 图4 4 石膏针铁矿体系反应产物x r d 图谱3 4 图4 5 石膏针铁矿体系反应产物s e m 和e d s 图谱3 5 图4 - 6 石膏针铁矿体系上部液体t o c 、i c 变化趋势3 5 表格清单 表1 1 目前已知的硫酸盐还原菌和它们的一些特性7 表1 2 硫酸盐还原菌的生化代谢反应8 表2 1 硫酸盐还原菌富集培养基成分1 5 表3 1 实验装置体系表2 4 4 独创性声明 本人卢明所早交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金b 曼工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签 签字日期：2 少年年月2 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴i 些盔堂有关保留、使川学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金旦墨兰些太 兰、l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采刖影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适州本授权书) 学位论文者签名：生客 导师签名： 签字日期：多扣年犀月砬日 签字日期：溯碑年月多z 一日 学位论文作者毕业j 亓去向： - t 作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 时光飞逝，转眼间研究生学习生活就要结束了。此时此刻，心中感慨万千。 既有即将毕业的喜悦之情，又有即将离开学校的不舍之感。回首三年的研究生 学习时间，让我学到了很多对我以后无论在生活或学习上都有益处的东西。 三年前，作为一名生物工程的本科毕业生，我对专业知识只是懂得一点皮 毛，带着种种的疑惑和担心我开始了自己的研究生学习生活。从开始对自己的 课题不知从何下手，感到茫然，到之后的能明确目的的进行研究，合理的安排 实验过程，不经意中，自己恍然已经提高了很多，收获了不少，这一切既是自 己努力的结果，更是工大诸位老师教导点拨的成就。三年中，我体会到了研究 生与本科生的区别，让我学会了善于发现问题，独立思考问题，急时解决问题， 对问题考虑的周全性等等，这些对我以后的工作和生活都是有益的。在这我首 先要感谢恩师陈天虎教授，感谢老师三年来对我的精心栽培，如果没有老师点 拨思路，讨论问题，我就不会顺利的完成本文。陈老师的博学，严谨的科学态 度，和善、谦虚的为人，是我终身难忘的，在我心目中，他永远是我最尊敬的 老师；其次，我要感谢资环学院谢巧勤老师、王进和岳正波老师，感谢他们在 我的实验和论文的撰写过程中悉心指点和帮助：另外，还要感谢一下本课题组 的刘畅、何准、王国刚、何光亚等对我的帮助。 这篇论文的完成之时就是我难忘的三年研究生生活结束的时期，很舍不得 离开校园，这旱有我可爱的同窗和课题组的成员以及和蔼可亲的老师。无论今 后我是继续深造还是踏上工作岗位，我都会以严谨的态度去对待每件事。最后， 我衷心的再次谢谢那些给与我帮助的老师和同学们! 作者：金鑫 2 0 1 0 3 2 3 上j l 日舌 硫酸盐矿物作为矿物常见种类广泛存在自然界中，其中石膏和硬石膏是其典型的 代表。在工业生产和石膏矿的开采中，大量的工业副产品和尾矿的存在对环境产生了 极其恶劣的影响：( 1 ) 大面积的耕地和林地被占用，不合理的长期堆放已经严重威胁 到交通、生产和矿区的长远发展；( 2 ) 由于矿物堆积时表面裸露，会有很多细微颗粒 和粉尘产生，这些细微颗粒由风运送到很远的距离和高空并对大气造成了污染：( 3 ) 雨水对这些堆积的矿物的冲刷作用会将大量的废弃物中的盐分带进四周的水体环境， 是水环境污染的重要途径【l j 。其次，随着工业的急速发展进步，以及人类生活活动范 围日益扩大，温室气体排放量在逐年累月的增加，从而导致温室效应日益明显，给环 境带来了严重的后果。二氧化碳是温室气体的主要成分之一，工业生产和人类活动是 其产生原因之一。此外大面积的垃圾填埋场、河流、湖泊等深部厌氧环境中存在着大 量易被分解的腐殖质等，这些环境有机物通过各种微生物的分解以及微生物自身的呼 吸代谢，从而释放出大量的二氧化碳气体，也是增加温室效应的主要原因。如何控制 温室气体的产生，减少温室效应，达到温室气体减排，以及如何通过自然界中普遍存 在的微生物有机质矿物体系的相互作用达到固碳作用，从而减少温室气体的产生， 这一直是世界各国研究者关注的问题。 硫酸盐还原菌是一类严格厌氧菌【2 】。其形态多样、营养方式各异，在厌氧条件下 能够以有机物作为生长的能源和碳源，将呈氧化态的硫作为有机物分解过程中的电子 受体，从而将其还原。因此，s r b 被广泛用于生物处理矿山酸性排水和含重金属离子 废水并取得了研究成果如：c h a n g 以塑料填料为载体构筑固定床生物反应器、以淀粉 生产有机废水为碳源，研究了硫酸盐还原菌处理六价铬电镀废水的效果和电子供体的 电子效率【3 1 ；g o n g a l v e s 使用蒸馏酒精废液作为碳源、j o n g 以石英砂为固定床以乳酸 为碳源，采用上升流生物反应器，研究了硫酸盐还原菌处理重金属废水效果和p h 值 对反应速率的影n l ；, j t 4 5 j 。但是，在硫酸盐还原反应过程中会产生硫化氢和各种形式的含 硫化合物，如亚硫酸盐、硫代硫酸盐等。大量溶解性硫化物存在对硫酸盐还原菌有一 定程度的毒害作用，致使硫酸盐还原菌活性降低或死亡。常用增加或注射空气、纯氧 或硝酸盐以防止硫化物的生成以及用臭氧、过氧化氢、次氯酸盐或高锰酸钾氧化硫化 物等方法来减少硫化氢等带来的危割6 - 8 。由于上述方法成本较高或者操作不便，利用 溶解性铁盐固定硫化物硫形成不溶性的金属硫化物是最常用的方法之一例。 土壤、矿山沉积物和水体中组分较多，其中较常见的组分是铁的( 氢) 氧化物，其 化学性质较稳定和具有较高的比表面积、吸附性能，并对地表环境中各种离子等的迁 移和沉淀有重要影响，因而具有十分重要的环境学意义l lo j 。针铁矿和赤铁矿是铁氧化 物的典型代表，f e 可作为电子受体向f e 2 + 转变。f e 2 + 是s r b 细胞中各种酶的活性成分， 同时f e 2 + 可与溶解性的硫化物生成金属硫化物从而减轻对硫酸盐还原菌的抑制作用 u 1 。1 3 】。其次，铁氧化物还原溶解，提高体系的p h 和碱度，增加生化产物c 0 2 的溶解， 诱导溶解的钙离子形成方解石沉淀，促进s r b 分解硫酸盐矿物的过程的同时，进行碳 固定，从而减少二氧化碳的释放，在一定程度上可以减少温室气体的排放，从而达到 减排的目的。 将硫酸盐矿物作为s r b 还原反应的硫酸根供体，研究其分解过程的机制对很好的 解决大量的硫酸盐废弃物的合理使用问题以及阐明s r b 分解硫酸盐矿物和生物矿化 过程的动力学特征，揭示硫酸盐矿物分解及s r b 作用下次生矿物形成的微生物学本 质，并探讨其在矿山、湖泊等环境中产生的环境效应等问题上都很有帮助。 本论文在国家9 7 3 重点项目支持计划：若干生命活动中矿化作用的环境响 应机制研究一一微生物群落分解矿物的机理及其对生态环境影响 ( 2 0 0 7 c b 8 15 6 0 3 ) 的支持下，主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 )硫酸盐矿物与环境有机物共存时，s r b 硫酸盐矿物交互作用时，碳酸盐、 硫化物形成过程及机制 ( 2 )铁氧化物对s r b 分解有机物的协同作用； ( 3 )有机质微生物矿物相互作用下的固碳机制。 2 第一章绪论 1 1 硫酸盐矿物来源及其产生的环境效应 1 1 1 硫酸盐矿物来源 硫酸盐矿物主要是表生地质作用的产物，其次是热液后期的产物。该矿物分布 广，占地壳质量的o 1 ，是金属阳离子与硫酸根相结合的化合物。石膏和硬石膏是硫 酸盐矿物的典型代表。石膏按照来源不同分为天然石膏和化学石膏。 天然石膏占全球石膏年产量的绝大部分，化学石膏仅占了一小部分。天然石膏资 源在我国的分布范围广泛，产地主要分布在山西、湖南、湖北、四川、宁夏、甘肃等 2 3 个省区。天然石膏主要是盐湖中化学沉积作用的产物，常与钾盐、及光卤等石共生， 包括石膏和硬石膏。虽然我国石膏资源丰富，但开发利用程度及水平较低【l 引。 化学石膏通常是指生产磷素化学原料和复合肥料过程中的磷石膏、生产氟化氢的 副产品氟石膏、发酵法制柠檬酸、烟气脱硫及钛白粉生产中产生的工业副产品等【i5 1 。 通常所说的烟气脱硫石膏主要来自炼油厂、钢铁厂等利用石灰石去除烟气中的二氧化 硫气体之后产生的废渣。磷石膏相似天然石膏，主要是湿法生产磷酸过程中的副产物， 生产lt 的磷酸将会产生4 5 5t 的磷石膏。氢氟酸生产是以萤石和硫酸为原料，氟石 膏是其生产后的一种废渣，生产1t 的氢氟酸将会有大约3 6t 的氟石膏产生随后被排 放到自然环境中，这些残渣之中还含有大量残留的氢氟酸和硫酸，可想而知，其对环 境的危害是多么的严重。其次，柠檬酸生产过程中也会产生大量的副产品柠檬酸石膏， 每吨柠檬酸的生成就会带来2 4 2 8t 的废渣。这些废渣中含有氟、砷等对人体和环境 都有害的元素，造成的污染也难以治理。其中，氟石膏也是硬石膏的主要来源之一 【1 6 19 1 。 1 1 2 硫酸盐矿物产生的环境效应 石膏与硬石膏是工业生产中主要副产品之一，具有量大、廉价等优点。但其缺点 是显而易见的，随着工业的发展，石膏与硬石膏的排放量越来越大，大量的副产品随 意露天堆放，占用了大面积土地；细微粉尘随风飘扬，对大气造成严重的污染；对地 表水体和地下水都造成了污染甚至是二次污染。而且将固体废弃物进行填埋处理将要 花费大量的费用。 其中，磷石膏在长期堆放中其所含的五氧化二磷和水溶性氟会随着雨水淋湿而浸 出，从而产生酸性废水，对其堆放地点附近的天然池塘及湖泊等水体中的p h 、氟和 磷酸根含量进行测试，均发现这些指标含量远远超过了国家标准；脱硫石膏是燃煤热 电厂排烟脱硫后的副产品，其产量大并对周围环境产生二次污染；氢氟酸生产中会产 生大量副产品氟石膏，在排出的氟石膏中，常伴有未反应的氟化钙和硫酸，有时硫酸 含量很高，使排出的氟石膏具有很强的酸性，虽经过中和法等方法进行处理后再运输 至堆放地点，但也未必能将其中的硫酸完全中和，这样势必会对周围的水体、大气以 及地表水和地下水等造成直接或间接污染，对环境造成威胁；每生产2 5 万吨的柠檬 酸石膏需要占地1 0 8 7 万立方米用于其进行堆放，堆放场所渗沥出的废水，对地面造 成严重的腐蚀，并且随着气温升高而逐渐散发出酸腐气味，遇到下雨或刮风时，漫天 的粉尘影响了大气环境，将其进行固废填埋处理费用昂贵。综上说述，大量的固体废 弃膏渣对水体、大气和地表都产生了严重威胁，对环境造成直接污染或是二次污染， 降低了人类生活环境质量，这一问题急需解决 2 0 - 2 2 j 。 目前，为了解决这一问题，大部分的副产品石膏和硬石膏主要被应用在建筑行业 中。脱硫石膏可用于水泥和石膏板的生产；磷石膏是水泥凝结剂的主要原料，同时也 是制备半水石膏的材料；对氟石膏进行改良，可制成具有隔声、隔火、质轻和调节室 内温度的良好性能的材料。硬石膏难溶于水并且凝结力较差，水凝能力弱，主要作为 水泥调凝剂和矿化剂在水泥行业中使用。随着对硬石膏的开发，其应用领域更加广泛 2 3 - 2 7 1 o 随着科学研究的深入，许多研究者将石膏与硬石膏与环境微生物连接在一起，对 富营养化湖泊、河流等底泥的原位修复、去除重金属、阻止湖泊内源磷及甲烷的释放 等方面起到了很好的效果。如国外学者s a l o n e n 等人利用石膏修复富营养化的湖泊希 望达到阻止内源磷的释放，经过长期的实验研究，结果表明覆盖在沉积物表面的石膏 可以有效地阻止沉积物中的磷向水体中释放，减少内源磷释放，并可以减轻湖泊富营 养化现象【2 睨9 】；w o l i c k a 用乳制品生产中的废水作为有机碳源，在有菌和无菌条件下 对硫酸盐还原菌进行富集培养，其中以磷石膏作为硫酸根供体，经过一段时间的试验， 表明磷石膏可以作为硫酸根供体供硫酸盐还原菌的生长繁殖【3 0 j 所用；s a m i a 等人也用 磷石膏作为富集硫酸盐还原菌的硫酸根供体，并对硫酸盐还原菌对锌离子的耐受性进 行了实验研究，发现硫酸盐还原菌对锌离子的去除具有很好的效果1 3 l j ；s a m i 等人利 用混合硫酸盐还原菌将磷石膏作为硫酸根来源，并对体系中的硫酸根浓度进行测试， 通过试验测试，发现硫酸根可以很好的被还原【3 2 l ；e i l a 等人利用石膏处理富营养化的 湖泊，经过长期的研究，结果表明在底泥沉积物表面添加石膏可以有效的阻止甲烷气 体释放以及内源物主要是磷向上部水体的释放，有效地减轻了湖泊富营养化问题，并 减少了甲烷气体的排放 3 3 1 ；z h u 等人在含沙土壤中添加了石膏，发现石膏的存在可以 有效地阻止磷素的释放等等p 钔。 综上所述，硫酸盐矿物一方面对环境会产生负面影响，比如污染地表水体及地下 水资源、对大气造成一定的污染、占用大量耕地等；另一方面，如果人类对硫酸盐矿 物进行合理利用，其也会对环境产生积极影响，如将其用于在治理富营养化湖泊中， 可以有效地阻止内源磷释放和甲烷气体产生，减轻富营养化现象；在去除重金属等方 面也有很好的效果等等。这些成果的产生，说明硫酸盐矿物是可以很好的被利用，并 对环境保护做出贡献，如何将其变废为宝并更好的运用在保护环境中是目前很多学者 4 共同关注的问题。 1 2 硫酸盐还原菌分解硫酸盐矿物 1 2 1 硫酸盐还原菌( s r u 3 ) 【3 5 4 7 j 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 i m ) 是广泛存在于自然界中一类以有 机物作为生长、代谢能源，将硫酸盐、亚硫酸盐和硫代硫酸盐等作为电子受体进行还 原反应生成硫化物的微生物。其具有分布范围广、可利用基质多、种类形态多样等特 点。硫酸盐还原作用分为同化硫酸盐还原作用和异化硫酸盐还原作用。前者是指被还 原的小部分硫作为微生物细胞的组成部分；后者则指大部分的s 玉被运输至体外。根 据以往的研究，硫酸盐还原菌可以分为自养型和异养型两大类。 据研究目前在第九版中的伯杰细菌鉴定手册中，将硫酸盐还原菌归类在第七 类群中，有4 组1 4 属。硫酸盐还原菌各属如下：脱硫肠状菌属( d e s u l f o t o m a c u l u m ) 、 脱硫叶菌属( d e s u f o b u l b u s ) 、脱硫微菌属( d e s u l f o m i c r o b i u m ) 、脱硫假单胞菌属 ( d e s u l f o p s e u d o m o n a s ) 、脱硫弧菌属( d e s u l f o v i b r i o ) 、热脱硫杆菌属 ( t h e r m o d e s u l f o b a c t e r i u m ) 、脱硫菌属( d e s u l f o b a c t e r ) 、 脱硫杆菌属 ( d e s u l f o b a c t e r i u m ) 、脱硫球菌属( d e s u l f o c o c c u s ) 、脱硫念珠菌属( d e s u l f o m o n i l e ) 、 脱硫线菌属( d e s u l f o n e m a ) 、脱硫八叠球菌属( d e s u l f o s a r c i n a ) 、硫还原菌属 ( d e s u l f u r e l l a ) 及脱硫单胞菌属( d e s u l f u r o m o n a s ) 。其中主要为脱硫肠状菌属 ( d e s u z f o t o m a c u l u m ) 和脱硫弧菌属( d e s u l f o v i b r i o ) 。 根据利用底物来源不同可将硫酸盐还原菌分为三类：一类是乙酸营养型硫 酸盐还原菌( a s r b ) ；一类是氢营养型硫酸盐还原菌( h s r b ) ；一类是高级脂肪酸 营养型硫酸盐还原菌( f a s r b ) 。其中脱硫弧菌属( d e s u l f o v i b r i o ) 和脱硫脱硫弧菌 ( d e s u l f o v i b r i od e s u l f u r i c a n s ) 经碱性品红染色后呈弯月型，便于辨认。一般特征 是：细胞形状多是弧形、杆状、螺旋形、或短棒状。大多数属革兰氏阴性菌， 直径大约是o 3 0 4 微米，其中也有一部分为革兰氏阳性菌，其形态有别于前者， 多为丝状的或形成芽孢型。种群中少数种含有气泡，有的菌群不运动或有依靠 鞭毛运动，也有靠滑行运动的。绝大多数为严格厌氧菌，能还原硫酸盐还原为 硫化氢，少数能还原硫为硫化氢。其可利用基质多，可将乳酸、乙醇、等作为 电子供体。 硫酸盐还原菌是一类生命力很强的微生物。据研究分离出的某些种类可在5 的 条件下生长，也可在8 0 的条件下耐受高温。经研究表明大多数的硫酸盐还原菌属于 中温条件即2 8 3 8 条件下生存，其最优的生存温度条件为3 6 。合适的p h 也是硫 酸盐还原菌生长的必需条件之一。一般生存的p h 范围为5 - 9 5 ，最佳的p h 条件为 7 0 7 8 。一些硫酸盐还原菌呈现嗜盐性，可生活于高盐环境( 如死海中) 。经研究并已 分离出的嗜盐性硫酸盐还原菌大多数是轻度嗜盐菌，适合其生长的盐度条件是 1 4 ；但已经经过研究分离出的中度嗜盐性的硫酸盐还原菌并不多见，最适合其生 长的盐度范圈为1 0 左右。分离出的硫酸盐还原菌般为厌氧菌，氧化还原电位一般 低于1 5 0 m v 。异养型的硫酸舳还原菌可以利用多种形式的有机物质，因此其可利用的 基质范围较广。在富古硫酸盐的环境中，硫酸盐还原茼以硫酸根作为电子受体氧化分 解有机物，从而将硫酸根还原为s 2 。，并从还原过程中获得生命生存的能量，维持细 胞正常的新陈代谢。在不同的环境中，不同种类的硫酸盐还原菌其还原反应的最佳反 应温度也是不同的，因种类的不同对温度的需求也不一样。硫化氢对硫酸盐还原菌的 毒性影响也是很明显的，当反应体系中的硫化氢浓度选到一定的浓度，就会抑制硫酸 盐还原菌的生长。当其毒性浓度维持一段时问后，会对体系中的硫酸盐还原菌造成致 命的影响，使其谯失活性，并致死亡。此外，虽然硫酸盐还原菌可利用的基质范围较 广，但不同种类的碳源、必需的氮源、各种重会属等也会对硫酸抽还原菌的活性形成 影响，直接影响了硫酸枯还原菌特有的还原反应的进行。 图l 一1 硫酸盐还原苗的扫描电镜醋片 f i g l - 【s e mp h o t o g r a p h so f s r b 表1 1 目前已知的硫酸盐还原菌和它们的一些特性( 4 7 ) 塑皇! 皇! ：堕垒皇! 巳皇呈i 皇! 垒璺皇呈皇垒! 箜塑! ! 兰! ! 曼! q ! 墨垦旦鉴翌旦! 望璺! 巳盟! 皇翌! 属特性 脱硫弧菌属极生鞭毛，弯曲杆菌，无孢芽；革兰阴性；含有脱硫绿胶 ( d e s u l f o v i b r i o ) 霉素；1 2 个种，其中一种为嗜热的 脱硫微菌属运动杆菌；无芽孢，革兰阴性；无脱硫绿胶霉素；两个种 ( d e s u l f o m i c r o b i u m ) d e s u l f o b o l l u s弧形；革兰阴性；运动；无脱硫绿胶霉素：一个种 脱硫肠状菌属垂直或弯曲杆菌，通过绿毛或极生鞭毛运动；革兰阴性； ( d e s u l f o t o m a c u l u m ) 无脱硫绿胶霉素，产生内孢子；两个种，其中一种为嗜热 菌，一种可以乙酸盐为能量来源 脱硫念珠菌属杆菌；能将3 氯苯甲酸酯经还原脱氯作川还原为苯甲酸酯 ( d e s u l f o m o n i l e ) d e s u l f o b a c u l a 卵圆形细胞，海洋的；可氧化各种芳香族化合物包括芳香 族硫氢甲苯为c 0 2 ，一个种 脱硫叶菌属卵圆形或柠檬形细胞；无芽孢；革兰阳性；不含脱硫绿脱 ( d e s u l f o b u l b u s ) 霉素；可通过单极生鞭毛运动( 如果能够) ；可利用丙酸为 电子供体，产物为乙酸盐和c o ；三个种 嗜热脱硫杆菌属小，革兰阴性杆菌；存在脱硫绿胶霉素；嗜热的，最适生 ( t h e r m o d e s u l f o b o c t e r i u m ) 长温度为7 0 脱硫菌属杆菌；无芽孢，革兰阴性；没有脱硫绿胶霉素：如果可以 ( d e s u l f o b a c t e r ) 运动是通过单极生鞭毛；只有利用乙酸盐为电子供体并通 过柠檬酸循环将其氧化为c 0 2 ；四个种 脱硫杆菌属杆菌；有些含气泡，海洋的，通过乙酰c o a 途径可营自养 ( d e s u l f o b a c t e r i u m ) 生长；三个种 脱硫球菌属球形细胞：不运动：革兰阴性；存在脱硫绿脱霉素，无芽 ( d e s u l f o c o c c u s ) 孢：利川c 1 到c 1 4 脂肪酸作为电子供体并完全氧化为c 0 2 ； 可通过乙酰c o a 途径营养生长；两个种 脱硫线菌属( d e s u l f o n e m a ) 人，丝状滑行细菌；格兰阳性，无芽孢；有或没有脱硫绿 脱硫素；利h jc 2 到c 1 2 脂肪酸作为电子供体并完全氧化为 c 0 2 ；通过乙醚c o a 途径营白养生长( h 2 为电子供体) ； 两个种 脱硫八叠球菌属细胞成堆积状( 八叠球菌的排列) ；格兰阴性；无芽孢；没 ( d e s u l f o s a r c i n a ) 有脱硫绿脱硫素；可利用c 2 到c 1 4 脂肪酸作为电子供体并 完全氧化为c 0 2 ；通过乙醚c o a 途径营自养生长( c h 2 为 电子供体) ；两个种 d e s u l f o a r c u l u s 弧形，格兰阴性；可运动没有脱硫绿胶霉素，可利用c 1 到 c 1 8 的脂肪酸作为电子供体 脱硫状菌属球形或卵圆形细胞，格兰阴性；可利川c 1 到c 1 8 脂肪酸， ( d e s u l f a c i n u m ) 营养型多种多样，可以白养生长；嗜热 7 硫酸盐还原反应在不同的环境条件和基质情况下，均会发生不同的代谢反应。典 型的硫酸盐还原反应如表1 2 所示j 。 经研究揭示，硫酸盐还原菌的一般代谢过程可分为三步：分解代谢、电子传递和 氧化。硫酸盐还原菌将有机物作为碳源进行厌氧分解，通过“基质水平磷酸化 获得 能量a t p 是反应过程的第一步，在此过程中会产生高能电子；紧接着分解过程中释放 的高能电子可通过硫酸盐还原茵特有的电子传递链，如图中所示的黄素蛋白、细胞色 素c 3 等，进行逐步的传递并伴随着大量的a t p 产生；电子传递链将电子传递给呈氧 化态的硫元素并将其还原，最终产生硫离子，消耗能量。图1 2 简单的表示了硫酸盐 还原菌的代谢反应【4 5 0 j 。从这张示意图中，可以发现硫酸根在硫酸盐还原菌的代谢过 程中起着电子受体的作用，而有机物在代谢过程中不仅可以作为电子受体从而被分 解，并且也是硫酸盐还原菌生长代谢的能源。 表1 2 硫酸盐还原菌的生化代谢反应4 4 ) t a b i el - 2b i o c h e m i c a lm e t a b o l i cr e a c t i o n so fs r b 黄素蛋白、细胞色素c 3 等 c 0 2 + h 2 0 + c h 3 c o o h 分解代谢电子传递 s 0 4 2 4 - h 2 0 图1 2 硫酸盐还原菌的代谢过程5 0 ) f i gl - 2 t h em e t a b o l i cp r o c e s so fs u l f a t er e d u c i n gb a c t e r i a 8 上消耗册源11， 碳 子电能高 pr 物 淹 硫酸盐还原反应中以硫酸根作为最终的电子受体，在微生物经过一系列的 反应从氧化念转化为还原态。硫酸盐还原的途径经研究可能如下图1 3 所示。 第一步，进行硫酸盐还原的酶位于细胞体内所以大量聚集的硫酸盐必须穿 过细胞膜才能发生反应。研究发现硫酸盐的摄入与质子浓度梯度有关。在硫酸 根浓度低的体系中，硫酸根的运输是与三个质子和钠离子的运输同时进行的； 若体系中硫酸盐浓度提高，则硫酸根不再与质子和钠离子结合完成运输，而是 与两个氢质子或钠离子的运输同时完成的，这样就可以防止细胞积累大量硫酸 盐而造成对细胞本身的伤害。 硫酸盐不易被还原的原因是其化学性质较稳定。硫酸盐的氧化还原电位比 大部分的分解代谢产物的氧化还原电位低，说明硫酸盐并不能直接从代谢产物 那得到电子，必需对其进行特殊的作用后其才具有接受电子的能力。再完成硫 酸根的运输后，接下来就是s 0 4 2 - 的活化反应，即 s 0 4 2 - + a t p + 2 h + - - + a p s + p p i p p i + h 2 0 叶2 p i 其中a p s 为腺嘌呤磷酰硫酸盐，p p i 为焦磷酸。随着p p i 转化为无机磷( p i ) ， 前反应不断地向右进行，促使硫酸根的分解。a p s 是反应中的中间产物具有较 强的氧化性，其随后被分解为a m p ( 磷酸腺苷) 和亚硫酸盐。a p s 在同化作用和 异化作用的过程中，其都是这两种作用的必要的中间产物。焦磷酸的水解需要 焦磷酸酶的作用，而焦磷酸酶需要环境中的还原剂对其进行活化作用，当周围 的环境变为好氧环境时，焦磷酸酶就会丧失其活性。不同种类硫酸盐还原菌的 焦磷酸酶活性各不相同，如脱硫弧菌、脱硫叶菌的焦磷酸酶活性较强，而脱硫 肠状菌属的焦磷酸酶活性则降低。亚硫酸盐经脱水后经四个连续的双电子传递， 先形成性质不稳定的偏亚硫酸氢盐，其很快转化为中间产物连二亚硫酸盐，紧 接着又通过电子传递形成s 3 0 6 玉，随后又被分解为硫代硫酸盐和亚硫酸盐，硫 代硫酸盐经自身氧化还原作用转变为最终代谢产物s 玉，从细胞体中排出。 此外，除了上述亚硫酸盐的连续传递反应外，亚硫酸盐也可在反应中直接 失去六个电子，在反应过程中并不产生上述所述的中间产物。亚硫酸盐还原过 程需要亚硫酸盐还原酶的作用。在同化反应中，亚硫酸盐还原酶将亚硫酸盐还 原为硫化氢并用于合成硫氨基酸半胱氨酸。同化型的亚硫酸盐还原酶有可能直 接得到六个电子从而在反应中生成硫化氢，这与异化型亚硫酸盐还原酶在细胞 体外形成硫代硫酸盐等形式从而获得电子的方式明显不同。硫酸盐的还原反应 的可能途径如图1 3 所示【4 6 ，5 l 。5 4 1 。 1 2 2 典型硫酸盐矿物的性质【1 6 j 石膏和硬石膏是典型的硫酸盐矿物。石膏( g y p s u m ) ，一般由c a o3 2 5 ，s 0 3 4 6 6 ，h 2 02 0 9 组成，并伴有粘土、有机质等杂物。单斜晶系，斜方柱晶类。通常 9 为白色和无色，晶体透明无色，有时因含其它杂质而呈灰、浅灰等色，条痕白色，具 有玻璃光泽。主要为化学沉积作用的产物，常形成巨大的矿层或透镜体，赋存于 石狄岩、红色页岩和砂岩、泥狄岩及粘土岩系中，常与硬石膏、石盐等共生。硬 石膏经过水化也可转化为石膏。石膏的用途很广，其中绝大部分应用在生产水泥、 熟石膏及其制品。生产硫酸和硫酸铵也可用到石膏。将石膏用于农肥，可以起到 改良酸碱性土壤，同时增加土壤中钙和硫素含量，并对植物的生长起到很好的作 用。 硬石膏( a n h y d r i t e ) 的化学组成一般为c a o4 1 2 ，s 0 35 8 8 ，成分较稳定。 斜方晶系。物理性质表现为白色，有时常带浅蓝、浅灰或浅红色，条痕白色或浅 灰白色，晶体无色透明，具有玻璃光泽。主要是化学沉积的产物，在盐湖中大量 形成，与石膏常伴生。在地表的硬石膏不稳定经常会向石膏转化。硬石膏偶然出 现在热液脉和火山熔岩孔洞罩，在某些硫化床的氧化带也少量产生。硬石膏的应 用范围也较广：天然石膏可作为胶凝材料、铺筑路面等材料。 图1 3 硫酸盐还原的可能途径h 6 ) f i g l 一3p o s s i b l ew a y so fs u l f a t er e d u c t i o n 1 2 3 硫酸盐还原菌分解硫酸盐矿物的原理 大量废弃的硫酸盐矿物对环境保护有百弊而无一益。对大气、水体、人类正常的 生活建设以及交通建设都存在影响，降低了人类生活环境质量。目前石膏和硬石膏可 作为水泥生产等较少方面的原材料以外，就必须对其进行粗加工才可制成建材等方面 的产品，增加了成本。如何对石膏和硬石膏进行更好的利用，环境学学者们不断地寻 求更简单、更经济、更便利且对环境治理更有效的方法。因此，通过国内外学者的辛 勤科研，发现石膏和硬石膏可以很好的应用在湖泊底泥原位修复中，起到有效的除磷、 去除重金属等作用【5 踊0 1 。这种方法只需将石膏和硬石膏添加到湖泊中即可，简单易行。 硫酸盐还原菌在大自然中广泛存在，在河流、湖泊中无处不在。其与用硫酸盐矿物修 复湖泊富营养化等问题紧密相连。 硫酸盐还原菌是缺氧条件下重要的微生物之一。在厌氧条件下，硫酸盐还原菌可 1 0 将有机物作为碳源，以石膏和硬石膏作为硫酸根供体，将其进行分解，同时还原过程 中产生的h 2 s 气体，可通过添加铁氧化物形成难溶性的金属沉淀物来防止大量的h 2 s 气体对硫酸盐还原菌细胞的毒害作用，促使体系p h 值增高。金属硫化物及可溶性h 2 s 气体减少，促使石膏和硬石膏不断分解，溶解的c a 2 + 可与生化代谢反应生成的c 0 2 发生反应从而产生新的矿物碳酸钙并达到固碳作用。当以石膏和硬石膏作为硫酸根供 体时，硫酸盐还原菌对产甲烷菌有抑制，从而抑制c h 4 的产量，达到控制温室气体排 放，对环境保护起到很好的作用。反应原理方程式如下： 2 c h 2 0 ( 有机物) + c a s 0 4 一h 2 s + 2 h c 0 3 + c 矿十 m 2 + + i - 1 2 s + 2 c a 2 + + 2 h c 0 3 - 一m s + 2 h 2 0 + 2 c a c 0 3 3 h 2 s + 2 m 3 + 一s o + 2 m s + 6 h + 1 2 4 硫酸盐还原菌分解硫酸盐矿物的国内外研究现状 目前，国内对硫酸盐还原菌的应用主要是在废水治理中，如酸性矿山废水、重金 属废水、硫酸盐废水及一些难降解的有机废水中【6 。硫酸盐还原菌具有存在广泛性、 生长能力强、可利用基质多等优点，一直以来备受关注和研究。经过研究表明， 硫酸盐还原菌对废水处理具有很好的效果，使用生物法处理废水具有低成本、 安全性、效果理想等优点。 周泉宇等通过柱实验研究了硫酸盐还原菌和零价铁共同处理废水中的铀和硫酸 盐等污染物的能力。实验结果表明，硫酸盐还原菌和零价铁体系可以有效地去除废水 中9 9 4 的铀，硫酸根的去除率可达9 6 2 ，反应过后废水p h 可达中性1 6 引。 马小珍等使用经分离纯化后的一株耐酸脱硫弧菌( s r b 7 ) 对不同温度、碳源、菌废 比和p h 等条件下硫酸盐还原菌还原c r ( v i ) 的能力进行研究。此外，还从电子传递、 硫化氢还原途径和胞外聚合物吸附等途径进一步研究s r b 7 对c r ( v i ) 的去除率。实验 结果表明：在p h = 7 5 、温度3 6 、乳酸钠作为碳源、c r ( v i ) 溶液混合菌液的体积比 = 1 ：5 和c r ( v i ) 初始浓度为5 0m g l 时s r b 7 可以起到很好还原c r ( v i ) 的能力。通过硫 化氢途径还原c r ( v i ) 是主导途径，经过2 4 h 反应去除率可达到7 8 0 2 。电子传递途径 还原的c r ( v i ) 可达到5 1 4 2 。经研究吸附途径对c r ( v i ) 的还原不起作用【6 引。 常晓雷等通过研究硫酸盐还原菌与单质铁协同作用处理含z n 2 + 废水的研究，发现 采用间歇式生物反应器，z n 2 + 浓度范围为0 9 0m g l ，添加s r b 和s r b + 单质铁两种 体系对z n 2 + 进行去除，结果表明后者体系处理效果明显高于前者，单质铁的加入不仅 可以缩短s r b 在高浓度z n ：+ 条件下的适应期，还可以促进硫酸盐还原效率和z n 2 + 的去除率6 4 1 。 柴立元等将好氧污泥经过驯化后成为以硫酸盐菌为优势菌种的厌氧活性污泥，并 用其去处理含铬废水。实验结果表