（化工过程机械专业论文）Felt2gtFelt0gt强化硫酸盐还原菌还原过程的研究.pdf

摘要+ 本文主要研究了f e o 和f e “对硫酸赫还原菌( s r b ) 还原过程的强化作用， 同时也研究了反应温度、初始p h 值和初始c o d s 0 4 2 - 1 等因素对s r b 还原过程 的影响。 在间歇实验中，随着s 0 42 。浓度的降低，s r b 还原体系的c o d 总体呈现下 降的趋势，在实验开始阶段偶尔略有升高；体系的p h 值总体呈现上升的趋势， 在实验开始阶段均有不同程度的下降。 f e o 和f e “均能显著缩短s r b 的延迟期，强化其还原过程。当f e o 用量为5 3 3 3 叽时，s r b 在第1 3 7 小时开始进入对数期第1 8 5 小时还原9 5 的s 0 4 。，而 未添加f e o 的体系在第2 8 1 小时时s 0 4 2 浓度变化甚微；初始f e 2 + 浓度为2 5 0m g ，l 时，s r b 在第3 8 小时开始进入对数期，第8 6 小时还原9 5 的s 0 4 玉，而未添加 f e 2 + 的体系在第2 0 7 小时仍未见s 0 4 。被还原。 在实验研究的范围内，f e o 用量越大，f e o 颗粒粒度越小，s r b 的延迟期越 短，s 0 4 2 - 的还原速率和有机物的降解速率越大，但s r b 争夺有机碳源的优势越 目日；f e 2 + 投加量越大，体系的p h 值由于降低而越不利于s r b 生长，但s r b 延 迟期越短，s 0 4 2 的还原速率和有机物的降解速率越大，s r b 竞争有机物的能力 越弱。 在实验考察的范围内，3 8 0 * c 最适于s r b 还原，但s r b 竞争有机碳源的能 力最弱；初始c o d i s 0 4 2 1 越大，s 0 4 2 。的还原速率和有机物舶降解速率越大，但 s r b 争夺有机物的能力越差；初始p h 值为7 5 0 时最利于s r b 生存，但s r b 对 有机物的竞争优势较弱，初始p h 值为2 5 8 时在4 8 天内未发现s 0 4 2 被还原。 在反应体系中s 0 4 的还原速率与环境容量、s r b 的数量及其活性等有关， 可以用数学方程描述为： d a y k 一 出1 + c p ( 十) 式中x 为s 0 4 2 还原量，t 为时间，u 为s r b 比增长速率，k 为环境容量，c 为 常数，c = 【k n ( t o ) 】n ( 曲，n ( t o ) 表示t o = 0 时刻s r b 的数量，定义为s 0 4 2 。的还 原系数。 关键词：硫酸盐还原菌：硫酸盐；铁；强化 本课题为国家自然科学基金资助项目( c 2 0 1 0 6 0 1 4 ) a b s t r a c t + i nt h i sp a p e r , r e d u c i n gp r o c e s so f s u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i a ( s r b ) e n l m n c e db yf e oa n df e 2 + w o sm a i n l yr e s e a r c h e d a n de f f e c t so f t c m p c r m u m , i n i t i a lp ha n di n i t i a lc o d 愿0 4 2 - o n r e d u c i n g p r o c e s s o f s r bw e f e i n v e s t i g a t e d t o o i nb a t c he x p e r i m e n t s , w i t ht h es u l f a t er e d u c t i o n , c o dd e c l i n e dg e n e r a l l yb u tr i s e dal i t t l e s o m e t i m e sa tt h es t a r to f e x p e r i m e n t s , a n dp h r i s e dg e n e r a l l yb u ta l w a y sd e c l i n e dt oad i f f e r e n t e x t e n ti nt h e p i i n 】a 】【ys t a g eo f e x p e 6 m e n t s l a g p h a s e 0 f s r b w a s s h o r t e n e d m a r k e d l ya n d r e d u c i n g p r o c e s s o f s r b w a s e n h a n c e d b y f e o a n d f e 2 + l o g p h a s e o f s r b s t a r t e d a l t e r l 3 7 h o u r s a n d 9 5 o f s o 产w a sr e d u c e d a f t e r l 8 5 h o o x s w h e nd o s a g eo ff e 0w a s5 3 3 3g kb 吐s o pc o n c e n t r a t i o ni nt h er e a e 幻ro fn u l lf e 0c h a n g e d e x t r e m e l y l i t t l ea f t e r2 8 1h o u r s l o gp h a s eo fs r bs t a r t e da f t e r3 8h o u r sa n d9 5 o fs 0 4 2 - w a s r e d u c e da f t e r8 6h o t r si nt h e 咖i nw h i c hi n i t i a lc o n c e n t r a t i o no f 酽w a s2 5 0 i i l | 叽，b u tt h e r e w a s n o s o a 2 r e d u c e d a f t e r 2 0 7 h o u r s i n t h e 陀a 鼬o r o f n u l l r 广 髓ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s d e m o n s t r a t e d t h a t t h e m o r e d o s a g e o f f e u a n d t h es m a l l e gs i z e o f f e ” p a r t i c l e t h es h o r t e rl a gp h a s e o fs r ba n dn l cm o r e r a p i dv e l o c i t yo fs 0 4 z r e c l u c f i o na n do r g a n i c m a t t e rd e g r a d 础i l ，b u tt h el i t t l eo 晰o i l sp r e d o m i n a n c e0 fs r bc o m p e t i n gf o rc a r b o ns o u z c e , a n d t h a tt h em o r e f c 2 + d o s a g e ，i ns p i t eo f t h e l i t t l eb e n e f i c i a lt os r b f o r 龇o f p h ，位s h o r t e r 崦p h a s e o fs r b ，a n dt h em o r e 糟p i dm t eo fs 0 4 2 r e d u c t i o na n do l 馨a 庙cm 酬材d e g r a d a t i o n , b m t 1 1 el i t t l e o b v i o m p r e d o m i n a n c e o f s r b c 0 叫) e i i n g f o rc a r b o ns o n r c e i ne x p e r i m e n t a lr a n g e , 3 8 0 cw a st h eb e s tt os r br e d u c i n gh 吐血cp r e d o m i n a n c eo fs r b c o m p e t i n gf o ro r g a n i c m a t t e rw a st h el e a s to b v i o u s ；a n dt h em o r ei n i t i a lc o 科【s o 门，t h em o r e r a p i d r a t eo f s 0 4 - r e d u c t i o na n do r g a n i cm a t t e rd e g r a d a t i o n ，b u t t h el i t t l eo b v i o u st h e p r e d o m i n a n c e o f s r b c o m p e t i n g f o r o r g a n i cr n 啦r , a n d i n i t i a l p h 7 5 0 w a s t h e b e s t t o s r b ，b u t t h e p r e d o m i n a n c e o f s r bc o m i n g f o r c a r b o n s o u r c e 嘲l i t t l e o b v i o u s , a n d t h e r e w a s n o s o ，麒l u o e d a f i e r 4 8 d a y s a ti n i t i a lp h2 5 8 h lm er e a c t i o ns y s t e m , v e l o c i t yo f s o ， r e d u c t i o nw h i c h i sr e l a t i v et oe n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y , t h en u m b e xa n da c t i v i t yo f s r b c a l lb e d e p i c t e d a s d a ，- k 一 硪1 + c e ( ) h 吐撼如m “a ，ar e p r e s e n t sq u a n t i t yo fs o p r e d u c e d , ti s 缸e ，肛i s t b es p e c i f i cg r o w t hr a t eo f s r b kr e p r e s e n t se n v i r o n n l e n 缸l lc a p a c i t y , ci sc 0 | 1 s i a 鸪c = - k - n o o i n 0 0 ，n r e p r e # e n t s t h e n u r r 岫o f s r ba t 吐l e 血x l c o f 乜= o ，a n d 7 i s d e f i n e d a s r e d u c i n g c o e f f i c i e n t o f $ 0 4 2 k e y w o r d s ：s t f l f a t c - r c d u c i n gb a c t e r i a ( s r b ) ；s u l f a t e ；i r o n ；e n h a n c e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎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了谢意。 学位论文作者签名：弛长1 虱签字日期：如，专年。月1 弓日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨连盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：矽谗1 司 l 签字日期：甜与年，月1 弓e l 、 刷稚和本多 签字日期：力弓年，月尹1 3 第一章概述 第一章概述 1 1 硫酸盐还原菌及其生存影响因素 硫酸盐还原菌( s u l f a t e - r e d u c i n g b a c t e r i a ，简称s r b ) 是种以有机物或h 2 、 c o 等无机物作为电子供体，以硫酸盐作为电子受体的厌氧菌。s r b 最早在1 8 9 5 年由b e i j e r i n c k 发现，至今已有一百多年的历史。在相当长的时间里，它一直没 有受到重视，直到1 9 3 0 年才由b a a r s 发表论文给予较系统的介绍，b u n k e r 和b u t l i n 等人分别在1 9 3 6 年和1 9 4 9 年对早期的研究工作进行了总结【l 】。到7 0 年代时， 确认的硫酸盐还原菌只有3 个属【l 】。在最近几十年里，人们对硫酸盐还原菌的认 识逐渐深入，不仅研究它与金属生物腐蚀的密切关系，而且还利用它处理酸性废 水和重金属废水，并取得了良好的效果。 1 1 1 硫酸盐还原菌的分类 自一百多年前发现硫酸盐还原菌以来，人们对其分类研究未曾间断过。1 9 6 5 年，c a m p b e l l 等提出将硫酸盐还原菌以产生芽孢与否而分为2 类。产芽孢的有 机体归属为脱硫肠状菌属( d e s u l f o t o m a c d ) ，其中的致黑脱硫肠状菌( d 1 1 i g r i t i t a n s ) 为其模式种，不产孢子者归于脱硫弧菌属( d e s u l f o v i b r i o ) 。当时涉及的硫酸盐还 原菌只有5 种，分别是脱硫肠状菌属的d n i 鲥t i t a n s 和d r u m i n i s ( 瘤w 脱硫肠状 菌1 以及脱硫弧菌属的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 ( 脱硫脱硫弧菌) 、 d r u b e u t s c h i k i i ( 鲁氏脱硫弧菌) 和d a l s t u a r i i ( 河口脱硫弧菌) 等u 】。1 9 8 4 年，n i d d e l 和p f e r m i n g 提出了硫酸盐还原菌的属检索表，将所有能还原硫酸盐或元素硫的 细菌归为8 个属 2 1 。近年来，人们对硫酸盐还原菌的分类研究取得了重大突破， 较成功地掌握了1 5 个硫酸盐还原菌种属，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 ”1 。 一般地，硫酸盐还原菌有以下几种分类方法： 1 根据硫酸盐还原菌对适宜生长温度的要求，可以分为中温菌和嗜热菌两 类，至今所分离到的硫酸盐还原菌大多是中温菌。 2 根据硫酸盐还原菌可利用底物的不同，可分为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 ) 和氧化芳香族化合物的硫酸盐还原菌( p s r b ) 等四类【4 】。 在f a s r b 中，一部分细菌能将高级脂肪酸完全氧化为c 0 2 和h 2 0 ，另一部 分细菌则将高级脂肪酸不完全氧化为乙酸和c 0 2 等。w i d d e j 在试验中证实并分 第一章概述 离出可以氧化从c l 到c 1 8 的脂肪酸、酮酸及芳香族化合物的硫酸盐还原副5 1 。 3 根据硫酸盐还原菌对碳源的代谢情况，可将其分为不完全氧化型和完 全氧化型两类【6 】。前者能够利用乳酸、丙酮酸等作为基质，并以乙酸作为代谢 终产物；后者则氧化某些脂肪酸并将其降解为c 0 2 和h 2 0 。还有一些硫酸盐还 原菌可利用h 2 还原s 0 4 0 。 4 根据硫酸盐还原菌r r n a 序列解析可分为革兰氏阴性嗜温菌 ( g r a m - n e g a t i v em e s o p h i l i cs r b ) 、革兰氏阳性产孢子菌( g r a m - p o s “i v es p o r e f o r m i n gs r b ) 、嗜热菌( t h e r m o p h i l i c b a c t e r i a l s r b ) 和嗜热远古菌( t h e r m o p h i l l e a r c h a e a ls r b ) 等四种7 1 。 1 1 2 硫酸盐还原菌的可用碳源 硫酸盐还原菌的营养源极具多样性，能够利用多种有机物和某些无机物作为 电子供体。最初认为硫酸盐还原菌仅能利用乳酸盐、丙酸盐、反丁烯二酸、苹果 酸、乙醇和甘油等有限的基质作为有机碳源和电子供体，但近些年研究发现，硫 酸盐还原菌能够利用的有机碳源和电子供体包括氢、醇、某些氨基酸、糖、多种 苯环取代基的酸类、长链溶解性烷烃以及从c l 到c 1 8 的脂肪酸、酮酸和芳香族 化合物等共1 0 0 多种1 4 8 o ，典型种类见表i 一1 i l ”。 表1 - 1 硫酸盐还原菌可利用的碳源种类 t a b l e1 - i c a r b o ns o l i c e su t i l i z e db ys r b 碳源种类代表物质 无机物 碳氢化合物 一元羟基酸 二元羟基酸 醇 ， 氨基酸 糖 芳香族化合物 其他 氢、一氧化碳 直链烷烃 甲酸、醋酸、丙酸、丁酸、高级脂肪酸、2 , 3 - 甲基丁酸、异丁酸、乳酸 丁二酸、反丁烯二酸、草酸、苹果酸、戊二酸 甲醇、乙醇、异丁醇、乙二酵、甘油、丙醇、丁醇 甘氨酸、丝氨酸、丙氨酸、双硫丙氨酸、苏氨酸、氨基乙酸、天东氨酸 荣糖葡萄糖、甘露藉、木糖、鼠李糖 苯甲酸盐、苯酚、邻苯二酚、马尿酸盐、吲哚、哇啉、香草醛 胆碱、内铵盐、丙酮、二羟丙酮、呋喃甲醛、过氧化环乙酮、环乙醇 1 1 3 硫酸盐还原菌的代谢过程 厌氧细菌的新陈代谢一般可分为合成代谢和分解代谢，但目前关于硫酸盐还 第一章概述 原菌的合成代谢几乎一无所知，对其分解代谢已有人做了研究【2 】。分解代谢的主 要过程是利用有机物或h 2 等作为电子供体，以s 0 4 2 作为电子受体，通过对有机 物的分解、电子传递和氧化等作用，获取生存所需的能量，同时将s o 。2 还原为 s 2 或单质s 。有机碳源分解代谢的基本原理如图1 - l 所示。 产生a 什、高能电寸一i 消耗a 仲 图1 - 1 硫酸盐还原菌的分解代谢 f i g 1 - 1 ，c a t a b o l i s mo f s r b 在分解代谢的第一阶段，有机碳源在厌氧状态下被硫酸盐还原菌峰解，可以 完全氧化为c 0 2 或不完全氧化为c 0 2 和乙酸，同时通过“基质水平磷酸化”作 用产生少量a t p 和高能电子。a t p 水解之后可以为细胞进行各类生化过程提供 大量能量，但此时产生的a t p 较少，不足以支持细胞的生长：在电子传递阶段， 前一阶段产生的高能电子通过硫酸盐还原菌特有的电子传递链( 如黄素蛋白、细 胞色素c 等) 逐级传递，同时产生大量的a t p ，为生化过程提供能量；在氧化 阶段中，有机物降解产生的电子传递给氧化态的s 0 4 2 。，通过还原酶的作用将其 还原为s ，该过程需要a t p 的活化作用，消耗a t p 。从这一过程可看出，有机 物不仅是硫酸盐还原菌的碳源，也是其能源。s 0 4 2 。仅作为最终电子受体起作用， 即硫酸盐还原菌将有机物作为细胞合成的碳源和电子供体，利用8 0 4 2 。作为最终 电子受体，同时将s 0 4 2 还原为硫化物l l ”。 1 1 4 影响硫酸盐还原菌生存的因素 1 温度 细菌的生长过程取决于化学反应，而温度影响反应速度，进而影响细菌的生 长速度和代谢活性。温度适宜时，细菌的生长速度快。活性强；当温度较低时， 细菌的代谢活力降低，更低时细菌会处于生长繁殖的停滞状态；过高的温度会导 致细菌的蛋白质变性及酶系统失活。严重时会发生细菌死亡的现象。 由于受生存环境的影响，不同环境下的硫酸盐还原菌对温度的要求不尽相 第一章概述 同。分布最广的海洋硫酸盐还原菌大多属低温性，其中专性嗜冷菌( o b l i g a t e p s y c h r o p h i i e s ) 的最适温度为1 5 。c 1 8 4 c ，2 0 。c 时即可死亡，有些硫酸盐还原菌 甚至能在南极和北极生存。迄今发现的陆生硫酸盐还原菌大部分是中温 ( m e s o p h i l i c ) 菌，最适生长温度为3 0 c 4 0 。c ，也能在1 0 c 1 5 的温度中存 活。而发现于热火山区、深油井、海底热泉或热液系统中的嗜热( t h e r m o p h i l i c ) 硫酸盐还原菌一般适于5 5 7 5 的温度中生长，最低生长温度为3 5 c 4 0 。c ， 有的硫酸盐还原菌最高生长温度甚至达到7 0 。c 8 5 。c ，如s t e t t l e 等人于1 9 8 7 年 发现的古细菌a r e h a e o g l o b u sf u l 西d u s 的最适湿度为8 3 c ，在9 2 c 时仍可存活【1 3 】。 少数可形成芽苞的硫酸盐还原菌，可以在1 3 l 的高温中存活2 0 m i n 。 目前，人们研究较多的是中温硫酸盐还原菌，一般认为它们在3 7 c 左右活 性最好 1 4 - 1 6 】，但m a r e e 和s 仃o y d o m 发现它们在3 0 5 c 时生长率最大，在3 8 以 上时生长受到抑制j _ 1 7 j 。 2 p i t 值 p h 值对硫酸盐还原菌的影响，主要表现在以下三个方面： ( 1 ) p h 值影响硫酸盐还原菌代谢过程中细胞膜和细胞壁的酶活性【1 8 j 。这是 由于酶的基本成分是两性蛋白质，其解离过程受p h 值影响，电离形式不同，催 化性质也不同；此外酶的催化作用还决定于基质的电离状况，p h 值对基质电离 状况的影响也会影响到酶的催化作用。 ( 2 ) p h 值影响有机化合物的离子化作用，从而影响硫酸盐还原茵对有机营 养物的吸收。如醋酸等有机酸在酸性p h 值时未离子化而呈中性。能渗入细胞中 抑制细胞生长，从而影响s r b 对它们的吸收。 ( 3 ) p h 值能影响环境中有害物质的毒性。重金属离子对微生物的抑制浓度 随p h 值的提高而增加，而且酸性环境不利于有毒气体h 2 s 的析出；再者，p h 值 影响s 0 4 2 的还原产物在水中的存在形态，而不同的形态对硫酸盐还原菌的毒害 程度不同；此外，p h 值影响乙酸等挥发性脂肪酸在水中的离解状态，它们在非 离解状态下具有一定的毒害作用【l 9 】。 由于硫酸盐还原菌的来源以及实验条件等方面的差异，人们对硫酸盐还原菌 最适p h 值的研究结果有所不同。张小里等人认为p h 为6 5 - 7 5 ，尤其是7 5 时 最适于s r b 生存 2 0 l ，m a r e e 等人认为p h 为7 5 7 8 时最适合s r b 生存叫， 但不难发现微碱性的环境条件( p h = 7 0 8 o ) 比较适宜硫酸盐还原菌生存。刘宏 芳等人2 2 l 发现，取自中原油田的原始硫酸盐还原菌在p h 值最高到1 1 5 时仍然能 够生长。经过驯化后能在p h = 1 2 0 的条件下生长。任南琪等人发现【4 l ，在p h 值 最小至2 5 时，硫酸盐还原菌仍能迸行异化硫酸盐还原反应，但在p h = 1 5 时不 一 第一章概述 能存活【1 4 1 。 3 溶解氧 厌氧菌对氧气很敏感，当环境中存在氧气时它们的生长受到抑制。这是由于 存在氧气时，厌氧茵在代谢过程中由脱氢酶活化的氢会与氧结合生成h 2 0 2 ，而 厌氧菌缺乏分解h 2 0 2 的酶，从而导致h 2 0 2 积累，对细胞产生毒害作用。 最初人们认为硫酸盐还原菌是严格的专性厌氧菌，只有利用严格的厌氧技术 才能对代谢谱较宽的不同硫酸盐还原菌进行分离【3 1 ，但目前已发现，硫酸盐还原 菌能在有分子氧的环境中生存甚至占优势，d e s u l f o v i b r i o ，d e s u l f o b u l b u s 。 d e s u l f o b a c t e r i u m 和d e s u l f o c o c c u s 等某些属的硫酸盐还原菌甚至具有有氧呼吸的 能力，而d d e s u l f u r i c a n s 和d b t a u t o t r o p h i c u m 等两个属可在微弱的有氧条件下生 长。s r b 对氧的耐受能力，与在其体内存在的具有抵抗分子氧能力的保护性酶， 如超氧化物歧化酶，过氧化氢酶和n a d h 氧化酶等有一定的关烈2 4 】。j o r g e n s e n 和b a k 发现【1 9 1 ，在生物膜的有氧区，硫酸盐还原菌发生异化硫酸盐还原作用的 速率较高，硫酸盐还原菌的最高浓度可达2 1 0 6 m l 。此外，张小里等人1 2 0 发现， 硫酸盐还原菌能耐4 5 m g l 的溶解氧，在溶解氧达到5 o m g l 时硫酸盐还原菌的 浓度为1 0 0 m l ，但在9 0 m g l 时不能生存。 4 硫化物 一般地，硫化物对任何厌氧微生物都有毒害作用，只是毒害的程度不同而已。 硫化物对硫酸盐还原菌的毒害作用可能与硫化物和细胞内色素中的铁和含铁物 质结合而导致电子传递系统失活有关【2 5 j 。不同硫化物的毒性不同，其顺序为： 游离h 2 s 硫离子( s 2 。) 亚硫酸盐 硫代硫酸盐 硫酸盐1 2 。h 2 s 的毒害最大是 由于只有中性的h 2 s 分子才能接近并穿透细胞壁，从而进入细菌体内产生作用。 硫化物的毒性取决于p h 值，所以调节适当的p h 值，以改变硫化物的存在形态， 对于减轻硫化物的毒性至关重要。 有关硫化物对硫酸盐还原菌抑制浓度的报道很多，但由于实验条件的不同而 有较大差异。一般认为，p h 值为7 o 7 5 时，系统中游离h 2 s 的极限浓度为 5 0 m g l ，硫化物的极限浓度为2 0 0m g ，l ，超过这个浓度，硫酸盐还原菌的生长 和活性将受到严重的反馈抑制。s h i m a d a 发现1 2 7j ，h 2 s 浓度为1 0 0 m g l 时，硫酸 盐还原菌的生长受到抑制，而b u r g e s s 和w o o d 则认为【2 8 】硫化物为9 0 0 m g l 时可 抑制s 0 4 2 一还原。r i n z e m a 发现在连续运行的厌氧反应器中，亚硫酸盐对硫酸盐 还原菌的影响较小【2 9 】，这是由于在此类反应器中，硫酸盐还原菌增殖较快，s 0 3 2 很快会继续转化而除去。 5 c o d s 0 4 2 第一章概述 硫酸盐还原菌正常生长时，c o d 和s o j 一需要维持在一定的浓度。由于热 力学原因，硫酸盐还原菌在利用低浓度有机质时比产甲烷菌( m p b ) 有更大的 优势【3 0 i ，在竞争中处于优势，但浓度不宜过低，否则会因碳源不足而受到抑制。 此外，当s 0 4 浓度低于5 0 0m g l 时，硫酸盐还原菌的活性随着硫酸根浓度的 降低而降低 3 0 1 。从理论上讲，硫酸盐还原菌还原s 0 4 2 时，c o d s 0 4 2 k 0 6 7 ，但 实际溶液中有机物的浓度要高于理论值才能满足硫酸盐还原菌的代谢要求，这是 由于有机物和s 0 4 2 - 都要进入细胞内部发生代谢反应，而有机物的扩散能力低于 s 0 4 2 ，此外，产甲烷菌等的存在也降解一部分有机物。研究表明当c o d s 0 4 2 - 小于2 时，硫酸盐还原菌不能将s 0 4 。完全还原，达到2 时，s 0 4 2 的去除率为9 5 以上，达到1 5 时，s 0 4 2 的去除率为7 5 ，达到1 时，s 0 4 2 的去除率仅为6 0 孵3 1 1 。 不过，c o d s 0 4 2 一的值也不应过大，否则不仅会因c o d 太高而不利于s r b 与 m p b 等细菌的竞争，而且会因产生大量的h 2 s 而受到抻制。 6 重金属离子 微生物的生存一般需要微量锰、锌、铜、镍等重金属元素，但它们浓度过商 会对硫酸盐还原菌的生长和代谢产生抑制作用。这是由于它们能与细菌体内酶的 - - s h 基结合，使酶失活，或与菌体蛋白反应形成不溶性盐类而沉淀。 重金属对硫酸盐还原菌的毒性作用的强弱取决于重金属的浓度及它们与酶 的亲和力。o l i v e r 等研究发现【3 2 1 ，重金属对硫酸盐还原菌的抑制顺序为c u c d n i z n c r p b ，硫酸根还原被抑制的重金属浓度分别为2 0 m g lc d 、2 0 m g l c u 、2 5 m g lz n 、2 0 m g ln i 、6 0 m g lc r 3 + 和7 5 m g lp b 。此外，马晓航等人口o l 利用硫酸盐还原菌处理含锌废水时发现，当z n 2 + 的浓度低于5 0 0m g l 时，污泥 床反应器可以稳定运行，而当浓度达到6 0 0m g l 时，硫酸盐还原菌受到z n 2 + 的 明显毒害。 7 盐类 盐类物质对细菌的影响是通过水中渗透压变化影响细菌物质运输过程。盐浓 度过高会引起细胞质壁分离，造成细胞脱水死亡。不同生存环境中的硫酸盐还原 菌对盐度要求不同，一般陆生或淡水中的硫酸盐还原菌不需要盐分或所需盐分很 少，海洋或咸水中的硫酸盐还原菌所需盐度则随区域而变，盐度从o 0 7 6 x 1 0 1 直到饱和，河1 ：3 脱硫弧菌需要海水或3 1 0 _ 2 的n a c l 才能生长- 脱硫螵菌在3 1 0 2 n a c l 的培养基中就可生存呱张小里等人发现【2 0 】，n a c i 浓度小于0 8 1 8 时硫酸盐还原菌可正常生长。在o 9 7 2 一2 2 8 时只能在水下沉积物中生长， 大于2 4 5 时则不能生长。研究表明，n a + 的5 0 i c ( 5 0 抑制浓度) 为6 l 4 0 9 l 。如荷兰农业大学发现s r b 在富含n a + 废水中的5 0 i c 为1 5 e l l j 。 墨二童塑垄 研究c a 2 + 对硫酸盐还原菌的影响时 1 4 1 发现，在加压条件下，ca 2 + 的存在有 利于硫酸盐还原菌，对需盐脱硫弧菌更有利：当硫酸盐浓度较高时，c a 2 + 对硫酸 盐还原菌的活性也有抑制作用，c a 2 + 可以沉积在污泥表面而防碍物质传递，并可 能使污泥活性完全丧失f 捌。 俞敦义等人【1 4 】发现，矿化度为( 1 5 ) x 1 0 4 m g l 时，硫酸盐还原菌生存最好； 大于3 1 0 5 m g l 时，硫酸盐还原菌不能生存。 8 压力 大多数陆生硫酸盐还原菌生长于常压下，而海底硫酸盐还原菌受到的静水压 较高，它们是耐压菌( b a r o c h a i c ) 或嗜压菌( b a r o p h i l e s ) 。在海平面下2 4k m ， 压力为2 0 5 0 m p a 的条件下仍能生存1 3 4 1 。俞敦义等人1 4 1 研究分离中原油田污水 中的硫酸盐还原菌时发现，压力在1 0m p a 1 5 0m p a 时，硫酸盐还原菌的菌量 保持不变，压力较低时( o 1 m p a ) ，菌量稍高一些，这表明压力对硫酸盐还原菌生 长几乎没有影响。 1 2 硫酸盐还原菌与产甲烷菌之间的竞争 硫酸盐还原菌与产甲烷菌( m e t h a n ep r o d u c i n gb a c t e r i a ，m p b ) 均生存在厌氧 环境中，而且有共同的有机基质( 如乙酸、乙酸盐、h 2 等) 需求，因此它们之 间存在着竞争。 1 2 1 硫酸盐还原菌的竞争优势 与m p b 相比，s r b 具有以下几个优势口6 l ( 见表1 - 1 ) ： 1 , s r b 对乙酸、乙酸盐、h 2 具有更高的亲和力，即较低的k m ( 半速度常数) 值和较高的v m ( 最大比乙酸消耗速率) 值( 见表1 二2 ) 。在细菌对基质的竞争性利 用中，较大的v m k m 值可以使微生物在对基质的竞争中占有优势。 表1 2 硫酸盐还原菌( s r b ) 和产甲烷菌( m p b ) 的热力学和动力学常数 t a b l e1 - 2 t h e r m o d y n a m i ca n dk i n e t i cc o n s t a n t so fs r ba n dm p b 细菌基质淼。m 茹随州 反应方程式 盖 第一章概述 2 反应热力学有利于硫酸盐还原作用。硫酸盐还原作用所释放的能量比产甲 烷反应所释放的能量要多( 见表1 - 2 ) ，说明硫酸盐还原反应比产甲烷反应更容易 进行； 3 m p b 要求比s r b 更低的氧化还原电位。p o s t a t g e 6 1 指出，s r b 进行硫酸盐 还原反应的氧化还原电位为1 0 0 m v ，而m p b 要求在一3 3 0 m v 以下，因此硫酸 盐还原过程一般优先发生。 1 2 2 影响硫酸盐还原菌与产甲烷菌竞争的因素 研究发现，s r b 和m p b 之间的竞争受到诸多因素的影响，主要有： ( 1 ) c o d s 0 4 2 。或c o d s 的比值。最近研究表明，影响s r b 和m p b 竞争的 重要指标是c o d s 0 4 2 的比值，并非s 0 4 2 。浓度。一般地，较低的c o d s 0 4 2 或 c o d s 值有利于s r b ，而较高的c o d s 0 4 2 。或c o d s 值则有利于m p b ，不过由 于实验条件的不同，关于这个指标的说法不一。c h o i 和r i m 【3 5 】发现，c o d s o a 2 值在1 7 2 7 之间时，s r b 与m p b 存在着竞争，当大于2 7 时，m p b 占优势， 当在于1 , 7 时，s r b 占优势。而o m i z u n o 等以丁酸为基质的研究表明【3 6 】，当c o d s i 6 0 ( c o d s 0 4 卜2 ) 时，m p b 占优势，8 0 以上的电子流被m p b 利用，而当 c o d s 为1 5 时，s r b 占优势，5 0 以上的电子流被s r b 利用。u b e r o i 和 b h a t t a c h a r y a t ”】在一个连续流的恒化器中处理高浓度丙酸废水时发现，当c o d s 比值降至2 ( 即c o d s 0 4 2 2 3 ) 以下后，s r b 对乙酸的降解逐渐升高。此外，l a i n 等人【3 8 】厌氧降解苯甲酸酯时发现，当c o d s = 6 0 时，9 9 的电子流被m p b 消 耗，当c o d s = 1 5 时，6 9 的电子流被m p b 消耗，而当c o d s - - - - - 0 7 5 时，仅 有1 3 的电子流被m p b 消耗。 ( 2 ) 环境中的基质种类。当环境中以丙酸、丁酸为基质时，s r b 和m p b 能 够共同生长，存在良好的共生关系。这主要是由于m p b 不仅能够利用降解这些 基质时产生的质子和电子还原硫酸盐，从而维持体系中较低的氢分压，促进降解 反应的进行，且乙酸等降解产物可作为m p b 的基质，促进了产甲烷反应的进行。 对于某些基质，s r b 无法与m p b 竞争，如以甲醇作基质，c o d s , 一- 2 1 时，体 系中只发生产甲烷反应【3 9 】。但在利用h 2 或h 2 的前体( 如乙醇) 时，s r b 占有优势。 ( 3 ) 体系中的介质载体。研究表明，硫酸盐还原菌在填料上的附着能力较弱， 而产甲烷菌则较强。所以如果反应器内有填料，产甲烷菌的竞争力会增强。i s a 发现【8 1 ，生物膜上的菌数与出水中的菌数相比，生物膜上的产甲烷菌数量增多2 0 0 多倍，而硫酸盐还原菌的数量仅增加3 0 多倍。对于悬浮态污泥，s r b 对乙酸的 亲和力明显强于m p b ；而在颗粒化污泥中，s r b 已无优势，其中s r b 在颗粒污 第一章概述 泥中的含量只比悬浮污泥中高约2 个数量级，而m p b 在颗粒污泥中的含量则比 悬浮液中高3 4 个数量级 4 0 l 。 ( 4 ) s r b 的种类。在不同的条件下，生存的s r b 种类差异很大，且不同种类 的s r b 对乙酸的利用能力也有很大的差异。当利用乙酸的能力很强的脱硫杆菌 与m p b 竞争时，m p b 受到明显的抑制作用，而当利用乙酸的能力很弱的脱硫 弧菌、脱硫肠状菌等与m p b 竞争时，m p b 受到的抑制作用也较弱。 ( 5 ) s r b 与m p b 初始数量。如果初始时体系中的产甲烷菌占绝对优势，并 且有充足的有机基质供应，既使体系中加入足够的s 0 4 2 1 ，硫酸盐还原菌也始终 难以处于优势；相反地，如果初始时已存在相当数量和比例的硫酸盐还原菌，并 且s 0 4 2 充足，则产甲烷菌也难以增殖。 ( 6 ) 硫化物。h 2 s 、h s 。和s 2 等硫化物在低浓度时有利于产甲烷菌的生长， 主要原因是这些硫化物可作为产甲烷菌生长所需的重要硫来源，能维持较低的氧 化还原电位，且可沉降c u 2 + ，n i 2 + ，z n 2 + 等具有毒害作用的重金属离子。但过量 的硫化物会对m p b 和s r b 造成毒害作用。研究表明，m p b 对硫化物更加敏感， 在硫酸盐还原反应器中抑制m p b 活性的最d ( s 2 s ) 浓度为2 0 8 m g l ，而不明显抑 制s r b 活性的最大s 2 浓度为5 0 0 m g l j 。 ( 7 ) p h 值。在反应过程中，m p b 对环境的变化。如p h 值、重金属离子、 温度等比较敏感，尤其对p h 值的变化更敏感，而s r b 特别能适应p h 值的变化 q h 2 8 ) 。 ( 8 ) 运行时间。在c o i ) s o , 2 = l 时，随运行时间豹增加，s r b 降解的c o d 比例由4 0 逐渐升高到7 0 ，而且还有缓慢增加的趋势。这说明运行时间对s r b 和m p b 的基质竞争也起重要作用【3 l j 。 1 。3 硫酸盐还原菌还原过程的强化研究现状 目前，硫酸盐还原菌还原过程的强化手段主要有以下几种： 1 提供适宜的温度、p h 值和氧化还原电位等环境条件，保证有机碳源的充 分供给，以提高硫酸盐还原菌的活性和还原能力； 2 减少或去除重金属离子、盐类等对硫酸盐还原菌具有抑制作用的物质含 量，以促进还原反应； 3 添加固体填料，使硫酸盐还原菌吸附于填料表面而形成生物膜或颗粒污 泥，从而提高细菌与底物之间的接触几率，增强传质过程，强化硫酸盐还原菌的 还原过程； 4 减轻或消除硫化物，尤其是h 2 s 对s r b 的毒害作用，以促进还原反应的进 行。采用的方法主要有以下几种： 第一章概述 ( 1 ) 添加f c 2 + ，使s 2 与f e 2 + 生成溶度积极小的f e s 沉淀，从而消除硫化物的毒 害作用。该过程发生的主要反应有 凡2 + + s 2 一f e s h s 七h + + s 1 1 h 2 s h s 一+ h + ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 由于f e 2 + 的加入，反应式( 1 - 1 ) 向右发生反应，溶液中s 2 一浓度降低，破坏 t h s 的离解平衡，反应式( 1 2 ) 开始向右进行离解，这样溶液中h s 。的浓度又 降低，溶液中游离的h 2 s 开始如反应式( i - 3 ) 所示发生离解反应，最终导致体系 中的硫化物含量降低甚至消除。这样不仅减轻了硫化物对硫酸盐还原菌的毒害作 用，而且缓和了硫化物对还原反应的产物抑制作用，提高了s r b 的活性，促进了 还原反应的进行。此外研究表明，铁是脱硫弧菌等硫酸盐还原菌体内氢化酶的重 要组成部分，每个酶分子中有1 2 个铁原子【4 2 】。f e 2 + 是硫酸盐还原菌细胞中细胞色 素c 3 、铁还原酶、红素还原酶以及过氧化氢酶等的活性基成分，在细胞内部通过 自身价态相互转化f e 2 +f e 3 + ，实现所在酶传递电予的作用m 】，张小里等人口0 】 发现，随着铁离子浓度增大，硫酸盐还原菌代谢活力增强，生长高峰期延长，f e 2 + 限制硫酸盐还原菌生长的浓度的下限为小于6 8 m g r l ，高f e 2 + 浓度对硫酸盐还原 菌生长无抑制作用。r 6 m ym a r c h a l 等人【4 4 】研究发现，当f e 2 + 的浓度低于0 5 u m o l l 时，硫酸盐还原菌的生长受到抑制。 ( 2 ) 添加f e 3 + 将s 2 氧化为单质8 ，降低硫化物的浓度，同时f e 3 + 被还原为 f e 2 + 。发生的主要反应为 s 2 一+ 2 f e 3 + s + 2 f e 2 +( 1 4 ) 反应生成的f e 2 + 可以继续与s 2 。发生反应，从而减轻s r b 所受到的硫化物毒 害作用。此外，f e 3 + 在浓度较低时可作为电子受体替代s 0 4 2 一接受电子，本身被 还原为f e 2 + 【