关于硫酸盐还原菌特性及运用

关于硫酸盐还原菌特性及运用硫酸盐还原菌(ＳＲＢ)是一类形态各异、营养类型多样、能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严格厌养菌。常见属有脱硫弧菌属，脱硫肠状菌属.因其参与自然界中的多种反应，所以愈来愈得到人们的关注。1ＳＲＢ的生活环境和条件1.1ＳＲＢ在环境中的分布自然界中最常见的ＳＲＢ是嗜温的革兰氏阴性、不产芽孢的类型.在淡水及其他含盐量较低的环境中，易分离到革兰氏阳性、产芽孢的菌株。此外，在自然界中存在的还有革兰氏阴性嗜热真细菌、革兰氏阴性古细菌。ＳＲＢ是严格的厌氧菌。但是它分布广泛，ＳＲＢ可以存在于土壤、水稻田、海水、盐水、自来水、温泉水、地热地区，油井和天然气井,含硫沉积物,河底污泥、污水,绵羊瘤胃、动物肠道等。还可以从一些受污染的环境中检测到它的存在,如厌氧的污水处理厂废物,被污染的食品中。1.2基本环境因子ＳＲＢ可以在-5～75℃条件下生存，并能很快适应新的温度环境,。某些种可以在-5℃以下生长，具有芽孢的种可以耐受80℃的高温；在ｐＨ为5～9.5的范围内生存，最适ｐＨ值为7.0～7.8。盐分：在一些高盐的生态环境中，也能检测到它们的存在,如盐湖、死海等。在实验室中分离到的嗜盐菌多数是轻度嗜盐菌（适宜盐度范围为1%～4%），分离到中度嗜盐菌的报道不多，最适盐度为10%左右。Ｅｈ：其生长要求Ｅｈ低于-150ｍＶ。1.3ＳＲＢ生长所需的碳源、氮源碳源：ＳＲＢ的不同菌属生长所利用的碳源是不同的，最普遍的是利用Ｃ3、Ｃ4脂肪酸,如乳酸盐、丙酮酸、苹果酸；此外还可以利用一些挥发性脂肪酸,如乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐；醇类，如乙醇，丙醇等；氮源：铵盐是大多ＳＲＢ生长所需的氮源。据一些报道，某些ＳＲＢ还能够固氮。一些菌种能够利用氨基酸中的氮作为氮源，少数菌种能通过异化还原硝酸盐和亚硝酸盐提供氮。2.1ＳＲＢ还原硫酸盐的过程及所涉及的酶系ＳＲＢ还原硫酸盐主要有以下3个过程：①因为ＳＯ42－/ＳＯ32－对的氧化还原电位太低而使硫酸不能直接接受电子。在硫酸腺苷转移酶的作用下，以ATP为代价将硫酸激活。所产生的磷酸腺苷硫酸（APS2-）是一个适合得多的氧化剂，因为APS2-/AMP2-+SO32-对的氧化还原电位比ＳＯ42－/ＳＯ32－对的高出约420ｍＶ。此反应的第二个产物焦磷酸经水解生成二分子正磷酸,全部反应消耗二分子正磷酸(ATP+SO32-→APS2--+ＰＰｉ)。②腺苷酰硫酸还原酶(APS还原酶)催化APS2-还原为亚硫酸,APS酶是一种寡聚铁硫黄素蛋白，含有一分子FAD和12个原子的铁和不稳定硫。③亚硫酸盐的进一步还原是由各种属间特异性的亚硫酸盐还原酶催化的。已知的三种亚硫酸盐还原酶中都含有各为14个原子的铁和不稳定硫及二分子Siroheam(一种修饰过的原血红素)或其类似物。亚硫酸还原为硫化物可按以下两种方式进行:由亚硫酸还原酶催化的协调六电子反应(SO32-+6ｅ-+6Ｈ+→Ｓ2-+3Ｈ2Ｏ)和以三硫酸(Ｓ3O62-)和硫代硫酸为中间产物的三个连续的双电子传递(3SO32-→Ｓ3O62-→Ｓ2Ｏ32-→Ｓ2-)。此反应除了亚硫酸还原酶外,还需要三硫酸还原酶和硫代硫酸还原酶参与。2.2影响ＳＲＢ还原硫酸盐的因子2.2.1重金属从HusainagarLake分离出一株Desulforibrio，其对锌的敏感超过好氧菌,Ｃｄ对Ｚｎ的这种抑制作用有协同作用,可通过调节基质中的Ｃｌ、Ｃａ、磷酸盐、Ｆｅ和Ｍｎ的浓度来降低Ｃｄ和Ｚｎ的毒性。但是Ｍｏ是一种强抑制剂,即使在大量的磷酸盐存在的情况下,也会抑制硫酸盐的还原。2.2.2Ｈ2Ｓ浓度Ｈ2Ｓ的浓度达到一定程度(16ｍｍｏｌ/ＬＨ2Ｓ),就会明显抑制ＳＲＢ的生长。2.2.3温度和磷酸盐浓度Okabes的试验得出,脱硫弧菌属的最佳生长和转化温度为43℃,最适宜的碳磷比是Ｃ:Ｐ=400:1～800:1。2.3ＳＲＢ与光合细菌(绿硫细菌)的共养作用Ｈ2Ｓ作为强还原剂可以抑制一些好氧菌的正常代谢,但是可以作为某些硫细菌生长代谢所需的电子供体。绿硫细菌在光照下,同化有机物质如乙酸盐等,必须有ＣＯ2的存在和无机电子供体,所以依赖于ＳＲＢ提供的Ｈ2Ｓ。同样，绿硫菌产生的硫酸盐很快被ＳＲＢ在异化有机物时利用，被还原成Ｈ2Ｓ.硫作为两种微生物之间的电子传递体，参与了ＳＲＢ和绿硫菌的共养作用。硫循环中的共养关系不涉及紫硫菌,因为这类细菌的细胞内存贮硫元素,使硫不能被异养生物所利用。3在有机物代谢过程中ＳＲＢ与产甲烷菌的相互作用在厌氧体系中有机物的矿化过程较为复杂,同时涉及到不同种群的微生物的相互作用。例如，在蛋白质、碳水化合物、木质素等大分子化合物的厌氧降解过程中,首先水解为较小分子的氨基酸、长链脂肪酸等物质。经过厌氧发酵,生成挥发性脂肪酸,环境中如有足够的硫酸盐，ＳＲＢ就转化硫酸盐.如果没有ＳＲＢ，乙酸盐的累积会抑制下面反应的进行。ＳＲＢ和产甲烷菌都存在于厌氧的生态系统中,都利用乙酸盐作为电子供体。从前人们一直以为乙酸盐的氧化是由ＳＲＢ和产甲烷菌的共生作用完成的.事实上,在ＳＲＢ和产甲烷菌之间有三种关系可能发生：①共生:既存在于同一体系中的ＳＲＢ和产甲烷菌利用不同的电子供体.某些特定的底物，如甲胺，甲醇，只可被产甲烷菌利用,即使在富含硫酸盐的沉积物中也是如此.两者之间不发生竞争；②协同作用:既ＳＲＢ和产甲烷菌竞争一种电子供体.这涉及种间氢传递,既在保持低氢分压下的混合培养物中，分子氢在产氢微生物和耗氢微生物间的传递.Ｂｒｙａｎｔ(1977)的研究表明,脱硫弧菌不能单独发酵利用乳酸盐和乙醇,但是在与耗氢的产甲烷菌混合培养时,底物中加入硫酸盐,脱硫弧菌就能够利用乳酸盐及乙醇了.在这个反应中，脱硫弧菌释放出氢气，传递给产甲烷菌做电子供体.在此过程中,ＳＲＢ的氢化酶起着重要的作用；③竞争作用：ＳＲＢ和产甲烷菌竞争同一种电子供体.在硫酸盐缺乏或耗尽的生态系统中，例如在淡水中，硫酸盐的浓度通常很低，一般为10～200ｎｍｏｌ/Ｌ,主要是甲烷菌占优势，利用氢和乙酸盐.在富含硫酸盐的情况下，例如海水中，硫酸盐的浓度平均为28ｍｍｏｌ/Ｌ，ＳＲＢ占优势，产甲烷菌受到抑制，因为ＳＲＢ对底物氢和乙酸盐的亲和力要大于产甲烷菌。4ＳＲＢ在环境中起的一些反应一旦ＳＲＢ开始在某个特定的环境中生长,环境的物理和化学性质就会发生改变,有时会很显著.ＳＲＢ代谢利用硫酸盐,所以环境中的首要变化就是硫酸盐的减少或耗尽.由于Ｓ、ＨＳ与氢结合生成反应的终产物ＨＳ，使体系的氧化还原电位下降.Ｈ2Ｓ的毒性可杀死周围环境中的大多需氧生物。它的挥发使环境的ＰＨ趋于升高，部分重金属离子可以和Ｈ2Ｓ结合生成硫化物.，Ｈ2Ｓ与铁结合生成黑色的硫化铁使我们不难判断出它的存在。4.1ＳＲＢ固定和转化重金属由于ＳＲＢ代谢产生Ｈ2Ｓ,Ｈ2Ｓ和许多重金属作用，可以生成硫化铅、硫化锌、硫化钴、硫化汞、硫化铜等等。ＳＲＢ还可以使汞甲基化，生成毒性更强的甲基汞。ＳＲＢ反应产生的Ｈ2Ｓ还可以使一些金属还原成低价态或元素态，如对Ｃｒ等的作用，可以将高毒的Ｃｒ转化为低毒的Ｃｒ，是一个解毒过程。4.2金属腐蚀硫酸盐还原菌代谢产生的硫化氢是强还原剂，具有强腐蚀性，所以它是主要的金属腐蚀微生物与土壤接触的地下构筑物，尤其是管线的腐蚀半数以上是由该菌参与或引起的，这个问题在世界各国都普遍存在且日趋严重，造成巨大的经济损失。所以该菌的腐蚀机制一直是多年来的主要课题之一。硫酸盐还原菌造成的金属腐蚀有三个特点：一是发生在厌氧地区，如粘土或水淹地区。二是金属的腐蚀趋向于孔洞腐蚀,如铁管的断裂是由于局部的穿孔而不是整体的腐蚀。三是在腐蚀点的金属结构趋向于石墨化，金属离子被移走,管道保持其碳架结构不变。在一些国家的土壤腐蚀调查中发现代表性厌氧腐蚀菌大多是脱硫弧菌属,我国中科院微生物所对分布在我国东北、西北、华北及西南代表十多种土壤的腐蚀网站及钢件周围及腐蚀产物中的硫酸盐还原菌进行研究，指出我国不同土壤代表性腐蚀菌为普通脱硫弧菌(Dvulgaris).从腐蚀的角度看，其都含能引起金属腐蚀的氢化酶.对该菌的腐蚀行为的研究及控制还有待进一步深入研究。5ＳＲＢ的潜在应用5.1生物修复由于所生成的金属硫化物的溶解度较低(范围为10-3～10-5ｇ/Ｌ),可以利用ＳＲＢ的这个性质来处理被重金属污染的湿地、池塘以及废水等,或者在被污染的区域人为构造湿地,将反应生成的重金属硫化物收集起来集中处理,既利于环境的改良，又可以回收贵重金属.据报道,美国新墨西哥州的铀矿和密苏里的铅矿用此法处理,将形成的ＺｎＳ、ＣｄＳ等回收,效果较理想.在汞的生物修复方面,脱硫弧菌能使汞转化为硫化汞,使汞固定和转化.根据这个性质可以修复被汞污染的土壤、水体。环境中的硫化物浓度高低是影响汞甲基化的一个至关重要的因素.硫化物的浓度低于1.8ｍｇ/ｇ时，甲基汞的浓度随硫化物的浓度增加而上升。大于1.8ｍｇ/ｇ时，甲基汞的浓度随硫化物的浓度增加而降低.这是因为硫化物的浓度过高，使汞与硫离子生成难以甲基化的硫化汞。此外，硫离子的歧化作用还会导致甲基汞的消除.在常温下,严格控制厌氧条件，使氧化还原电位低于一定值,提供一定量的硫酸盐。可以利于形成硫化汞,抑制甲基汞的形成.关于ＳＲＢ是否能使其它重金属甲基化目前尚无定论。5.2炼油技术将硫酸盐还原菌加入到油井中,可以提高油产量.在石油的二次回收过程中,脱硫弧菌产生的粘液—一种胞外多糖,起着表面活性剂的作用,有助于从石油砂层中提取石油[13].另外,还有研究认为,它参与石油的形成。据报导,脱硫弧菌可合成14～25个碳的长链脂肪族碳氢化合物.这项技术已取得了一定的经济效益,研究工作也做的较多。5.3废水处理和燃料脱硫许多加工业,如食品发酵工业，采矿业,造纸工业等产生的废水中都含有大量的硫酸盐.硫酸盐本身会产生多种危害,并且会生产高毒性的Ｈ2Ｓ，对环境和人类造成危害.所以这类污水在排入自然界之前必须经过处理。利用ＳＲＢ能利用硫酸盐的特性,可以设计工艺去除硫酸盐。另外，燃料燃烧产生ＳＯ2是空气污染的一个重要来源，因此，去除燃料中的硫有着重要的环境学意义。脱硫弧菌能利用矿物质和前处理的污水污泥将ＳＯ2转化成Ｈ2Ｓ。6总结硫酸还原菌自然界的作用是非常重大的，我们可以利用它的生态特性来改善我们的环境，研究开发以硫酸还原菌为基质的新工艺处理废水、废物，造福人类。