硫化细菌的特征及其应用进展

硫化细菌的特征及其应用进展魏伟（兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州100081）摘要：硫化细菌的种类繁多代谢方式多样，应用在工业及环境保护方面有着成本低无二次污染的特点。目前，硫化细菌已在生物浸矿、污水处理、烟气脱硫、污泥中重金属的去除、煤的脱硫技术等诸多方面得到广泛应用。本文综述了硫化细菌的特征及其应用进展。关键词：硫化细菌；特征；应用ThecharacteristicsandapplicationprogressofsulphurbacteriaAbstract：Sulfurbacteriahasimportanteconomicandsocialsignificanceinthefieldofindustryandenvironmentalprotection.Therearemanytypesofsulfidebacteriaandtheirmetabolismaremiscellaneous,theapplicationofthesebacteriaintheindustryandenvironmentalprotectionhasthecharacteristicsoflowcostwithoutsecondarypollution.Atpresent,sulfidebacteriahasbeenwidelyusedinmanyaspects,Likebiologicalleachingmining,sewagetreatmentandfluegasdesulfurization,removalofheavymetalsinsludge,etc.Thepapermainlysummarizesthecharacteristicsandapplicationsofsulphurbacteria.Keywords：Sulfurbacteria;Characteristic;application1前言硫化细菌是微生物界较为常见的一类原核生物菌属，广泛存在于土壤、水、含硫矿质中。它们可以将低价态硫转化为高价态的硫在自然界硫的循环中扮演很重要的角色。硫化细菌在工业和环保领域具有重要的经济和社会意义。近年来，随着对硫化细菌不断深入研究，硫化细菌在工业和环保上的应用越来越广泛。作为浸矿的主要菌属，它们最早应用于在低品味金属矿的生产。另外，硫化细菌在高浓度有机废水的处理、烟气脱硫、污泥中重金属的去除等等方面都得到广泛应用。针对硫化细菌的还在不断地加强加深以期探索出更多有益于人类的工业生产和环保应用。2硫化细菌的特征2.1硫化细菌的分类及生物学特性硫化细菌是微生物界较为常见的一类可将低价硫氧化成高价硫的原核生物菌属，它们可以分为两大类1：无色硫细菌和有色硫细菌。无色硫细菌中包括硫杆菌属（Thiobacillus）它们是土壤和水中最重要的化能自养细菌能够氧化硫化氢、黄铁矿、元素硫等形成硫酸，从氧化过程中获取能量。常见的有氧化硫硫杆菌（T．thiooxidans）和氧化亚铁硫杆菌（T．ferrooxidans），排硫硫杆菌（T．thioparus）等。1904年，Beijerinck首先分离得到的脱氮硫杆菌（Thiobacillusdenitrificans）短杆状，具有单根极生鞭毛。脱氮硫杆菌可在10-37摄氏度，PH为4.0到9.5的条件下生长，最适生长温度为28-30摄氏度，最适PH为6.5-7.52。无色硫细菌还包括丝状硫磺细菌它们属化能自养菌，有的也能营腐生生活。生存于含硫的水中，能将H2S氧化为元素硫。主要有两个属，即贝氏硫菌属（Beggiatoa）和发硫菌属（Thiothrix），前者丝状体游离，后者丝状体通常固着于固体基质上。有色硫细菌主要指含有光合色素的利用光能营养的硫细菌，它们从光中获得能量，依靠体内含有特殊的光合色素，进行光合作用同化CO2。有色硫杆菌包括光能自养型菌（这类光合细菌在进行光合作用时，能以元素硫和硫化物作为同化CO2的电子供体）常见的如着色菌科（Chromatiaceae）和绿菌科（Chlorobiaceae）中的有关种（俗称紫硫菌和绿硫菌）。和光能异养型，该类光合细菌主要以简单的脂肪酸、醇等作为碳源或电子供体，也可以硫化物或硫代硫酸盐（但不能以元素硫）作为电子供体。能进行光照厌氧或黑暗微好氧呼吸。常见种类大多为红螺菌科（Rhodospirillaceae），如球形红杆菌（Rhodobacterspheroides），沼泽红杆（R．palustris）等。2.2硫化细菌参与自然界中硫元素循环硫在自然界中主要以元素硫，硫化氢，硫酸盐和有机硫化物4种形态存在。自然界硫的循环体系中，大部分硫化细菌均以氧为电子受体氧化不同低价态的硫的化合物，从中获得能量。硫杆菌属参与的硫氧化主要过程34为：2H2S+O2→2H2O+2S+能量2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4+能量2S+3O2+2H2O→2H2SO4+能量2S2O3+3O2+4H2O→4H2SO4其中脱氮硫杆菌不仅可以参与硫的循环，在厌氧条件下还可以实现氮的反硝化作用其氧化H2S的过程为：5HS+8NO+3H→5SO42+4N2+4H2O光合硫化细菌属进行光合作用时以CO2为电子受体，氧化低价态的硫元素。主要反应过程为：CO2+2H2S→[CH2O]+2S+H2O2CO2+H2S+2H2O2→[CH2O]+H2SO43硫化细菌的应用3.1硫化细菌在微生物浸矿中的应用近几十年来，随着采矿业的不断发展，人们对矿产原料的需求量也在逐年增大，然而高品位富矿却日益匮乏，对低品位、细分散、难处理矿石和以前废弃的矿渣的利用显得尤为重要。生物浸矿的处理工艺相较于传统工艺而言具有简单、易操作、能耗低、成本低、无二次污染等特点。目前，生物浸矿技术已在磷、铜、钴、铀、金等很多金属矿的提取方面获得成功应用5。龚文琪6等从安徽某煤矿的酸性矿坑水中分离出能有效浸出低品位磷矿的氧化硫硫杆菌菌株,对其形态特征和培养特性进行了初步的研究,并通过初步试验浸磷率可达到48.41%。周吉奎7利用从硫化矿山分离得到氧化亚铁硫杆菌GZY-1菌株,进行了废弃线路板粉末中金属铜的浸出实验,并对浸出机理进行了分析,同时对浸出体系的pH值、氧化还原电位和细菌数量的变化进行了研究.结果表明:细菌具有将Fe2+不间断地氧化成为Fe3的生物学特性;在浸出温度30℃及pH值1.32、液固比10∶1、搅拌速率500r/min的条件下,经48h浸出,金属铜的浸出率达到95.16%;李广悦等8采用广东某矿低品位铀矿石,在相同的培养条件下,研究了氧化亚铁硫杆菌与氧化硫硫杆菌对U4+的浸出作用。研究结果表明,在氧化亚铁硫杆菌作用下铀的浸出率比在氧化硫硫杆菌作用下高21.34%;氧化亚铁硫杆菌为UO2的氧化提供了高效氧化剂,而氧化硫硫杆菌则显著降低了浸矿体系的pH值,对UO22+的络合析出非常有利。并得出氧化亚铁硫杆菌与氧化硫硫杆菌对U4+的浸出具有互补作用的结论。3.2硫化细菌在废水处理中的应用在纺织业、医药业、农药生产、石油化工业等行业中都会存在含硫化物废水的排放。然而这些硫化物对环境的危害有时会很大，尤其是硫化氢的排放，硫化氢氢毒性较大,如果直接排放入河流会对水生生物造成极大危害。此外,当含有硫化物的废水排放到水体中后,会与水体中的铁类金属反应,使水体发臭发黑,因此含硫废水的处理显得尤为关键。废水中硫化物去除的方法有很多。陶寅9综述介绍了回收利用法、汽提法、混凝沉淀法、氧化法、生化法和树脂法等六种去除废水中硫化物技术的特点、原理以及局限性。其中的生化法主要就是利用硫化细菌的作用以期达到处理含硫废水的目的。左剑恶、袁琳10等直接以硫酸盐还原相出水作为进水,采用升流式好抵生物膜反应器在室温(18-22Co)条件下,研究了利用好氧无色硫细菌去除水中硫化物的可行性。试验表明,当硫化物容积负荷达到12kg/(dm3)(以H2S计,下同),水力停留时问为22min,pH值为7-8、溶解氧浓度为5.0-5.5mg/L时,硫化物的去除率可达90%以上，被去除的硫化物几乎全部转化为单质硫,同时有机物的去除率约为10%。杨秀山11利用厌氧-缺氧-好氧处理城市废水的中试规模系统，对其缺氧相中的脱氮硫杆菌进行了研究。结果表明,脱氮硫杆菌的最高脱氮作用率、氧化Na2S的最高浓度、S2的最高污泥负荷率和污泥中脱氮硫杆菌的最高含量(MPN)分别为3.6mg-NO3/gVSS·h、1750mg/L、25mg-S2/gVSS·d和1.1x10/gVSS。脱氮硫杆菌在氧化二价硫成硫酸并还原硝酸为氮气的过程中起着相当有意义的作用。3.3硫化细菌在烟气脱硫中的应用煤炭燃烧生成的SO2随烟气进入大气,可能会形成酸雨,对人类生存环境产生极大的危害。而目前我国的能源结构以煤炭为主,占一次能源的75%,并且随着经济的增长,在今后若干年内还有上升的趋势。目前可以进入工业化的技术多为物理和化学方法,与这些方法相比,生物法脱硫去除率高、成本低、能耗少,有很广阔的应用前景。王安，张永奎12等在实验室条件下,选用氧化亚铁硫杆菌进行了烟气脱硫研究,实验表明,在适宜的液气比(12.5L/m3以上)、二氧化硫体积分数(1000～5000)×106〕和三价铁离子质量浓度(0.6g/L以上)下,该菌的脱硫率达到98%。宣群13等将分离得到的一株氧化亚铁硫杆菌用海藻酸钠进行固定化包埋试验,用上柱通气法测定其净化气相SO2的能力,其氧化降解SO2的效率最高达97.01%,显示了利用固定化细菌净化低浓度SO2烟气的可行性。王勇川14等以电厂粉煤灰治理烟气中的SO2,利用粉煤灰中的碱性氧化物进行初级脱硫,同时使用脱硫细菌在适宜条件下的迅速繁殖,将粉煤灰水中的不溶性Fe2O3离子化,把微生物脱硫和Fe3的催化作用结合起来,在实验室内的模拟装置上,脱硫效率能达到80%以上。3.4硫化细菌去除污泥中的重金属污泥处理中重金属的去除一直是人们关注的重点。采用生物法去除污泥中的重金属有成本低，污染小等特点。李淑更15等以广州市城市污泥作为培养介质,利用以硫代硫酸钠作为生长基质进行生命活动的氧化亚铁硫杆菌(T.f)和氧化硫硫杆菌(T.t)来淋滤去除污泥中的重金属,研究了不同底物含量及不同驯化污泥接菌量对重金属去除效果的影响。结果表明,在无驯化污泥接种的条件下,最佳基质投配率为10g/L;驯化污泥接种培养可以缩短污泥的酸化周期,并且在相同投配比条件下,接种培养较不接种培养的去除效果明显提高。驯化污泥接种量为10%、投配比为7g/L时,污泥中主要超标元素Cu、Zn、Cd和Ni的去除率分别达到67.2%,88.9%,82.4%和68.4%。同时,处理后污泥中的重金属含量可满足污泥农用的国家标准。刘贺琴16等也通过通过设计淋滤实验,分析了不同淋滤条件下污泥中重金属的去除率,并应用Hakanson潜在生态危害指数法对其进行评价.研究发现,Cu、Pb、Zn、Cr和Ni的浸出取决于硫粉和硫酸浓度,经过14d的淋滤实验,加硫粉处理后Cu、Pb、Zn、Cr和Ni的去除率可分别达到96.8%,53.2%,94.2%,97.5%,103.0%。沈镭17等利用由含硫温泉采集到的泉水,通过一系列培养、分离、纯化得到的氧化亚铁硫杆菌(T.f)和氧化硫硫杆菌(T.t)浸出污泥中的铜、锌、锰、铬、镉。并实验研究出各种重金属浸出的最佳条件。4小结硫化细菌的研究在很多领域都是非常有意义的。随着原生质融合技术和基因工程技术的发展,硫化细菌在煤炭生物脱硫技术18等领域也将得到广泛的应用。我国在硫化细菌的应用研究大部分处于实验室和半工业试验水平,未能实现规模化应用。有关硫化细菌特征和应用的研究还需要进一步加强和深化。参考文献：[1]翁酥颖,戚蓓静,史家梁,等.环境微生物学[M].北京:科学出版社,1985.[2]王玮.一株脱氮硫杆菌的分离及特性研究[J]，工业微生物，1997,27（4）：30-33.[3]蔡靖，郑平