關于硫酸還原菌的特性及運用
摘要： 本論文主要論述硫酸還原菌的特性及運用。硫酸還原菌自然界的作用是非常重大的，我們可以利用它的生態(tài)特性來改善我們的環(huán)境，研究開發(fā)以硫酸還原菌為基質(zhì)的新工藝處理廢水、廢物，造福人類。
關鍵詞： 硫酸還原菌 特性及運用
硫酸鹽還原菌(SRB)是一類形態(tài)各異、營養(yǎng)類型多樣、能利用硫酸鹽或者其他氧化態(tài)硫化物作為電子受體來異化有機物質(zhì)的嚴格厭養(yǎng)菌。常見屬有脫硫弧菌屬，脫硫腸狀菌屬.因其參與自然界中的多種反應，所以愈來愈得到人們的關注。
1 SRB的生活環(huán)境和條件
1.1 SRB在環(huán)境中的分布
自然界中最常見的SRB是嗜溫的革蘭氏陰性、不產(chǎn)芽孢的類型.在淡水及其他含鹽量較低的環(huán)境中，易分離到革蘭氏陽性、產(chǎn)芽孢的菌株。此外，在自然界中存在的還有革蘭氏陰性嗜熱真細菌、革蘭氏陰性古細菌。SRB是嚴格的厭氧菌。但是它分布廣泛，SRB可以存在于土壤、水稻田、海水、鹽水、自來水、溫泉水、地熱地區(qū)，油井和天然氣井,含硫沉積物,河底污泥、污水,綿羊瘤胃、動物腸道等。還可以從一些受污染的環(huán)境中檢測到它
的存在,如厭氧的污水處理廠廢物,被污染的食品中。
1.2 基本環(huán)境因子
SRB可以在-5～75℃條件下生存，并能很快適應新的溫度環(huán)境,。某些種可以在-5℃以下生長，具有芽孢的種可以耐受80℃的高溫；在ｐＨ為5～9.5的范圍內(nèi)生存，最適ｐＨ值為7.0～7.8。鹽分：在一些高鹽的生態(tài)環(huán)境中，也能檢測到它們的存在,如鹽湖、死海等。在實驗室中分離到的嗜鹽菌多數(shù)是輕度嗜鹽菌（適宜鹽度范圍為1%～4%），分離到中度嗜鹽菌的報道不多，最適鹽度為10%左右。Ｅｈ：其生長要求Ｅｈ低于-150ｍＶ。
1.3 SRB生長所需的碳源、氮源
碳源：SRB的不同菌屬生長所利用的碳源是不同的，最普遍的是利用Ｃ3、Ｃ4脂肪酸,如乳酸鹽、丙酮酸、蘋果酸；此外還可以利用一些揮發(fā)性脂肪酸,如乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽；醇類，如乙醇，丙醇等；氮源：銨鹽是大多SRB生長所需的氮源。據(jù)一些報道，某些SRB還能夠固氮。一些菌種能夠利用氨基酸中的氮作為氮源，少數(shù)菌種能通過異化還原硝酸鹽和亞硝酸鹽提供氮。
2.1 SRB還原硫酸鹽的過程及所涉及的酶系
SRB還原硫酸鹽主要有以下3個過程：①因為SO42－/SO32－對的氧化還原電位太低而使硫酸不能直接接受電子。在硫酸腺苷轉(zhuǎn)移酶的作用下，以ATP為代價將硫酸激活。所產(chǎn)生的磷酸腺苷硫酸（APS2-）是一個適合得多的氧化劑，因為APS2-/AMP2-+SO32-對的氧化還原電位比SO42－/SO32－對的高出約420ｍＶ。此反應的第二個產(chǎn)物焦磷酸經(jīng)水解生成二分子正磷酸,全部反應消耗二分子正磷酸(ATP+ SO32-→APS2--+ＰＰｉ)。②腺苷酰硫酸還原酶(APS還原酶)催化APS2-還原為亞硫酸, APS酶是一種寡聚鐵硫黃素蛋白，含有一分子FAD和12個原子的鐵和不穩(wěn)定硫。③亞硫酸鹽的進一步還原是由各種屬間特異性的亞硫酸鹽還原酶催化的。已知的三種亞硫酸鹽還原酶中都含有各為14個原子的鐵和不穩(wěn)定硫及二分子Siroheam (一種修飾過的原血紅素)或其類似物。亞硫酸還原為硫化物可按以下兩種方式進行:由亞硫酸還原酶催化的協(xié)調(diào)六電子反應(SO32-+6ｅ-+6Ｈ+→Ｓ2-+3Ｈ2Ｏ)和以三硫酸(Ｓ3O62-)和硫代硫酸為中間產(chǎn)物的三個連續(xù)的雙電子傳遞(3SO32-→Ｓ3O62-→Ｓ2Ｏ32-→Ｓ2-)。此反應除了亞硫酸還原酶外,還需要三硫酸還原酶和硫代硫酸還原酶參與。
2.2 影響SRB還原硫酸鹽的因子
2.2.1 重金屬
從HusainagarLake分離出一株Desulforibrio，其對鋅的敏感超過好氧菌,Ｃｄ對Ｚｎ的這種抑制作用有協(xié)同作用,可通過調(diào)節(jié)基質(zhì)中的Ｃｌ、Ｃａ、磷酸鹽、Ｆｅ和Ｍｎ的濃度來降低Ｃｄ和Ｚｎ的毒性。但是Ｍｏ是一種強抑制劑,即使在大量的磷酸鹽存在的情況下,也會抑制硫酸鹽的還原。
2.2.2 Ｈ2Ｓ濃度
Ｈ2Ｓ的濃度達到一定程度(16ｍｍｏｌ/ＬＨ2Ｓ),就會明顯抑制SRB的生長。
2.2.3 溫度和磷酸鹽濃度
Okabes的試驗得出,脫硫弧菌屬的最佳生長和轉(zhuǎn)化溫度為43℃,最適宜的碳磷比是Ｃ:Ｐ=400:1～800:1。
2.3 SRB與光合細菌(綠硫細菌)的共養(yǎng)作用
Ｈ2Ｓ作為強還原劑可以抑制一些好氧菌的正常代謝,但是可以作為某些硫細菌生長代謝所需的電子供體。綠硫細菌在光照下,同化有機物質(zhì)如乙酸鹽等,必須有ＣＯ2的存在和無機電子供體,所以依賴于SRB提供的Ｈ2Ｓ。同樣，綠硫菌產(chǎn)生的硫酸鹽很快被SRB在異化有機物時利用，被還原成Ｈ2Ｓ.硫作為兩種微生物之間的電子傳遞體，參與了SRB和綠硫菌的共養(yǎng)作用。硫循環(huán)中的共養(yǎng)關系不涉及紫硫菌,因為這類細菌的細胞內(nèi)存貯硫元素,使硫不能被異養(yǎng)生物所利用。
3 在有機物代謝過程中SRB與產(chǎn)甲烷菌的相互作用
在厭氧體系中有機物的礦化過程較為復雜,同時涉及到不同種群的微生物的相互作用。例如，在蛋白質(zhì)、碳水化合物、木質(zhì)素等大分子化合物的厭氧降解過程中,首先水解為較小分子的氨基酸、長鏈脂肪酸等物質(zhì)。經(jīng)過厭氧發(fā)酵,生成揮發(fā)性脂肪酸,環(huán)境中如有足夠的硫酸鹽，SRB就轉(zhuǎn)化硫酸鹽.如果沒有SRB，乙酸鹽的累積會抑制下面反應的進行。SRB和產(chǎn)甲烷菌都存在于厭氧的生態(tài)系統(tǒng)中,都利用乙酸鹽作為電子供體。從前人們一直以為乙酸鹽的氧化是由SRB和產(chǎn)甲烷菌的共生作用完成的.事實上,在SRB和產(chǎn)甲烷菌之間有三種關系可能發(fā)生：①共生:既存在于同一體系中的SRB和產(chǎn)甲烷菌利用不同的電子供體.某些特定的底物，如甲胺，甲醇，只可被產(chǎn)甲烷菌利用,即使在富含硫酸鹽的沉積物中也是如此.兩者之間不發(fā)生競爭；②協(xié)同作用:既SRB和產(chǎn)甲烷菌競爭一種電子供體.這涉及種間氫傳遞,既在保持低氫分壓下的混合培養(yǎng)物中，分子氫在產(chǎn)氫微生物和耗氫微生物間的傳遞.Ｂｒｙａｎｔ(1977)的研究表明,脫硫弧菌不能單獨發(fā)酵利用乳酸鹽和乙醇,但是在與耗氫的產(chǎn)甲烷菌混合培養(yǎng)時,底物中加入硫酸鹽,脫硫弧菌就能夠利用乳酸鹽及乙醇了.在這個反應中，脫硫弧菌釋放出氫氣，傳遞給產(chǎn)甲烷菌做電子供體.在此過程中,SRB的氫化酶起著重要的作用；③競爭作用：SRB和產(chǎn)甲烷菌競爭同一種電子供體.在硫酸鹽缺乏或耗盡的生態(tài)系統(tǒng)中，例如在淡水中，硫酸鹽的濃度通常很低，一般為10～200ｎｍｏｌ/Ｌ,主要是甲烷菌占優(yōu)勢，利用氫和乙酸鹽.在富含硫酸鹽的情況下，例如海水中，硫酸鹽的濃度平均為28ｍｍｏｌ/Ｌ，SRB占優(yōu)勢，產(chǎn)甲烷菌受到抑制，因為SRB對底物氫和乙酸鹽的親和力要大于產(chǎn)甲烷菌。
4 SRB在環(huán)境中起的一些反應
一旦SRB開始在某個特定的環(huán)境中生長,環(huán)境的物理和化學性質(zhì)就會發(fā)生改變,有時會很顯著.SRB代謝利用硫酸鹽,所以環(huán)境中的首要變化就是硫酸鹽的減少或耗盡.由于Ｓ、ＨＳ與氫結(jié)合生成反應的終產(chǎn)物ＨＳ，使體系的氧化還原電位下降.Ｈ2Ｓ的毒性可殺死周圍環(huán)境中的大多需氧生物。它的揮發(fā)使環(huán)境的ＰＨ趨于升高，部分重金屬離子可以和Ｈ2Ｓ結(jié)合生成硫化物.，Ｈ2Ｓ與鐵結(jié)合生成黑色的硫化鐵使我們不難判斷出它的存在。
4.1 SRB固定和轉(zhuǎn)化重金屬
由于SRB代謝產(chǎn)生Ｈ2Ｓ,Ｈ2Ｓ和許多重金屬作用，可以生成硫化鉛、硫化鋅、硫化鈷、硫化汞、硫化銅等等。SRB還可以使汞甲基化，生成毒性更強的甲基汞。SRB反應產(chǎn)生的Ｈ2Ｓ還可以使一些金屬還原成低價態(tài)或元素態(tài)，如對Ｃｒ等的作用，可以將高毒的Ｃｒ轉(zhuǎn)化為低毒的Ｃｒ，是一個解毒過程。
4.2 金屬腐蝕
硫酸鹽還原菌代謝產(chǎn)生的硫化氫是強還原劑，具有強腐蝕性，所以它是主要的金屬腐蝕微生物與土壤接觸的地下構(gòu)筑物，尤其是管線的腐蝕半數(shù)以上是由該菌參與或引起的，這個問題在世界各國都普遍存在且日趨嚴重，造成巨大的經(jīng)濟損失。所以該菌的腐蝕機制一直是多年來的主要課題之一。硫酸鹽還原菌造成的金屬腐蝕有三個特點：一是發(fā)生在厭氧地區(qū)，如粘土或水淹地區(qū)。二是金屬的腐蝕趨向于孔洞腐蝕,如鐵管的斷裂是由于局部的穿孔而不是整體的腐蝕。三是在腐蝕點的金屬結(jié)構(gòu)趨向于石墨化，金屬離子被移走,管道保持其碳架結(jié)構(gòu)不變。在一些國家的土壤腐蝕調(diào)查中發(fā)現(xiàn)代表性厭氧腐蝕菌大多是脫硫弧菌屬,我國中科院微生物所對分布在我國東北、西北、華北及西南代表十多種土壤的腐蝕網(wǎng)站及鋼件周圍及腐蝕產(chǎn)物中的硫酸鹽還原菌進行研究，指出我國不同土壤代表性腐蝕菌為普通脫硫弧菌(Dvulgaris).從腐蝕的角度看，其都含能引起金屬腐蝕的氫化酶.對該菌的腐蝕行為的研究及控制還有待進一步深入研究。
5 SRB的潛在應用
5.1 生物修復
由于所生成的金屬硫化物的溶解度較低(范圍為10-3～10-5ｇ/Ｌ),可以利用SRB的這個性質(zhì)來處理被重金屬污染的濕地、池塘以及廢水等,或者在被污染的區(qū)域人為構(gòu)造濕地,將反應生成的重金屬硫化物收集起來集中處理,既利于環(huán)境的改良，又可以回收貴重金屬.據(jù)報道,美國新墨西哥州的鈾礦和密蘇里的鉛礦用此法處理,將形成的ＺｎＳ、ＣｄＳ等回收,效果較理想.在汞的生物修復方面,脫硫弧菌能使汞轉(zhuǎn)化為硫化汞,使汞固定和轉(zhuǎn)化.根據(jù)這個性質(zhì)可以修復被汞污染的土壤、水體。環(huán)境中的硫化物濃度高低是影響汞甲基化的一個至關重要的因素.硫化物的濃度低于1.8ｍｇ/ｇ時，甲基汞的濃度隨硫化物的濃度增加而上升。大于1.8ｍｇ/ｇ時，甲基汞的濃度隨硫化物的濃度增加而降低.這是因為硫化物的濃度過高，使汞與硫離子生成難以甲基化的硫化汞。此外，硫離子的歧化作用還會導致甲基汞的消除.在常溫下,嚴格控制厭氧條件，使氧化還原電位低于一定值,提供一定量的硫酸鹽。可以利于形成硫化汞,抑制甲基汞的形成.關于SRB是否能使其它重金屬甲基化目前尚無定論。
5.2 煉油技術
將硫酸鹽還原菌加入到油井中,可以提高油產(chǎn)量.在石油的二次回收過程中,脫硫弧菌產(chǎn)生的粘液—一種胞外多糖,起著表面活性劑的作用,有助于從石油砂層中提取石油[13].另外,還有研究認為,它參與石油的形成。據(jù)報導,脫硫弧菌可合成14～25個碳的長鏈脂肪族碳氫化合物.這項技術已取得了一定的經(jīng)濟效益,研究工作也做的較多。
5.2 廢水處理和燃料脫硫
許多加工業(yè),如食品發(fā)酵工業(yè)，采礦業(yè),造紙工業(yè)等產(chǎn)生的廢水中都含有大量的硫酸鹽.硫酸鹽本身會產(chǎn)生多種危害,并且會生產(chǎn)高毒性的Ｈ2Ｓ，對環(huán)境和人類造成危害.所以這類污水在排入自然界之前必須經(jīng)過處理。利用SRB能利用硫酸鹽的特性,可以設計工藝去除硫酸鹽。另外，燃料燃燒產(chǎn)生SO2是空氣污染的一個重要來源，因此，去除燃料中的硫有著重要的環(huán)境學意義。脫硫弧菌能利用礦物質(zhì)和前處理的污水污泥將SO2轉(zhuǎn)化成Ｈ2Ｓ。
6 總結(jié)
硫酸還原菌自然界的作用是非常重大的，我們可以利用它的生態(tài)特性來改善我們的環(huán)境，研究開發(fā)以硫酸還原菌為基質(zhì)的新工藝處理廢水、廢物，造福人類。
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