（微生物学专业论文）氧化亚铁硫杆菌生物学特性及其污泥脱硫的研究.pdf

华中农业人学2 0 0 8 届硕士学位论文 摘要 目前，我国污泥产生量巨大且高度集中，其中含有的还原态硫化物以及重金 属不及时处理将造成严重的二次污染和资源浪费。本研究依据氧化亚铁硫杆菌能 氧化亚铁及低价态硫化合物，将污泥环境中硫化物以可溶性硫酸盐形式溶出的基 本原理( 或称污泥脱毒) ，在脱硫微生物的筛选、鉴定基础上研究其生物学特性， 针对城市污泥在不同条件下开展了微生物脱硫实验。 从煤矸石浸液中分离到能迅速氧化亚铁的细菌n f 0 1 ，该菌株具有能氧化亚 铁，硫，硫代硫酸盐等不同底物的能力，对其进行1 6 sr d n a 序列鉴定，系统发 育分析表明：该菌株与t k 位于同一分支中，相似度为9 8 8 6 ，与模式菌株 a t c c 2 3 2 7 0 ( 序列登记号a f 4 6 5 6 0 4 ) 相似度为9 8 7 0 ，而与同一个属的彳 t h i o o x i d a n s 菌株c m t t - 3 2 不在一个进化分支中，可以确定分离菌株n f 0 1 为嗜 酸氧化亚铁硫杆菌( a c i d i t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s ，简称彳厂) 。 以溶液中f e 2 + 氧化表明氧化亚铁硫杆菌的生长规律，生物氧化特性实验表 明：温度为2 8 ，p h 值在2 5 ，接种量为1 0 ，起始f e 2 + 浓度为9g l 时，延滞 期相对较短，亚铁氧化速率达到0 4 2 0 0g l h ，菌体活性较大。根据质粒抽提和 琼脂糖凝胶电泳实验结果推测出氧化亚铁硫杆菌的遗传物质可能只是拟核染色 体d n a ，且对f e 2 + ，s 的氧化能力只与拟核染色体d n a 有关。 为了使脱硫菌株能快速适应污泥环境，采用合适条件对菌株进行驯化。研究 结果表明选择能减缓沉淀生成的m 1 培养基以及对其进行p h 定向培育，不仅使 驯化后菌株氧化亚铁的效率不低于出发菌株，保持了该菌株较高的氧化亚铁活性 f i e 2 + 氧化速率最高为0 3 3 7 6g l h 。) ，而且在生长过程中沉淀出现的时间最迟， 产生的沉淀量较少。 本工作着重考察了在常用浸出条件下，不同接种量、不同初始p h 以及不同 污泥加入浓度等因素对污泥脱硫的影响，并研究浸出过程中铁离子浓度变化规 律。联合接种两种菌株n f 0 1 和n h 2 ，并以不同混合比例进行脱硫效率比较。 污泥脱硫研究结果表明：随着接种量升高，细菌浸出作用越强，溶液中增加 的硫酸根浓度越高，但在后期接种1 0 和2 5 的浸出硫的差异缩小，最后脱硫相 当；初始p h 为3 5 左右，脱硫量达到6 4 3 0 0g l ；污泥浓度越小单位浸出率越高， 但单位时间内污泥脱硫处理量却减小了，污泥浓度为5 时，进行污泥生物浸出 条件较合适；在细菌脱硫过程中，溶液中铁离子的浓度形成有起有落的动态过程； 两种细菌共同作用明显加速了污泥脱硫进程，以混合细菌n f 0 1 ：n h 2 = 2 ：3 比例接 种时脱硫效果最佳，可有效溶出污泥中硫酸根浓度8 0 0 0 0e , m ，进一步加强了对 硫杆菌脱硫规律和机制的了解，以及嗜酸氧化亚铁硫杆菌在污泥生物浸出中的重 要作用。 关键词：污泥；氧化亚铁硫杆菌( z 力；1 6 sr d n a ；生物脱硫 a b s t r a c t p r e s e n tb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti nc h i n ag e n e r a t e sal a r g ea m o u n to f s e w a g es l u d g e t h es p r e a d i n go fs l u d g ec o n t a i n i n gr e d u c t i v es u l p h i d e s ，i n s o l u b l e m e t a ls u l p h i d e so ns o i lh a sr e s u l t e di nas e c o n dp o l l u t i o na n di saw a s t eo f r e s o u r c e u n l e s si ti st i m e l yd i s p o s e d t h e s ep r o c e s s e sa r eb a s e do nt h eo x i d a t i o no fs u l f u r ， r e d u c e ds u l f u rc o m p o u n d so rf e r r o u si o nb yc h e m o l i t h o t r o p h i cb a c t e r i a w h i c h c o n v e r t st h e mi n t os o l u b l es u l p h a t e s i nt h es o - c a l l e di r o n b a s e dp r o c e s s ，m i c r o b i a l d e s u l p h u r i z a t i o ne x p e r i m e n t su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sh a v eb e e nc a r r i e d o u tf o rt h e m u n i c i p a ls l u d g eb a s e do nt h es c r e e n i n g ，i d e n t i f i c a t i o na n d r e s e a r c h e so nb i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e s u l p h u r i z a t i o nm i c r o b e s f e r r o u s o x i d i z i n gb a c t e r i as t r a i nn f 0 1w a si s o l a t e df r o mt h ea c i dc o a lw a s t e r o c ks l u r r y , w h i c hw a sc h a r a c t e r i z e do fo x i d a t i o no fd i f f e r e n ts u b s t r a t e ss u c ha s f e r r o u s ，s u l f u r , s o d i u mt h i o s u l f a t e m o r p h o l o g i c ，b i o c h e m i c a l ，p h y s i o l o g i c a la n d16 s r d n as e q u e n c ea n a l y s i si n d i c a t e dn f 0 1b e l o n g e dt ot h eb r a n c ho f a c i d i t h i o b a c i l l u s ， a j l dt h ec l o s er e l a t i v et ot h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n st k ( d q 0 6 2 114 ) ，w i t has i m i l a r i t y o f 9 8 8 6 。i nc o n t r a s t ，i tw a s9 8 7 0 i d e n t i c a lt ot y p es t r a i na t c c 2 3 2 7 0 i t i n d i c a t e d t h a tn f 01w a si nc l o s ep r o x i m i t yt ot h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n sw h i c hb e l o n g e dt o 么c i d i t h i o b a c i l l u ss p p a n dn o ti nt h es a m ee n v o l u t i o n a r yb r a n c hw i t ha t h i o o x i d a n s c m t t - 3 2 f e r r o u si o no x i d a t i o ni n d i c a t e st h eg r o w t hr u l e so ft h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s b i o o x i d a t i o ne x p e r i m e n t sw e r es t u d i e dt ou p g r a d et h ec o n d i t i o n so fd e s u l p h u r i z a t i o n ， d i s p l a y i n gs e r i e so fr e s u l t sa b o u tt h eo p t i m u mc r i t i c a lp o i n to fd i f f e r e n tf a c t o r ss u c h a st e m p e r a t u r ea t2 8 。c ，p hv a l u ea b o u t2 5 ，i n o c u l a t i o nc o n c e n t r a t i o n10 ，i n i t i a l f e r r o u sc o n c e n t r a t i o na b o u t9g lw i t has h o r t e rl a g g i n gp h a s ea n dh i g hg r o w t h a c t i v i 饥w h e nt h ef e r r o u so x i d a t i o nr a t er e a c h e d0 4 2 0 0g l h p r e s u m e db yp l a s m i d e x t r a c ta n da g a r o s eg e le l e c t r o p h o r e s i so fm o l e c u l a rb i o l o g yl e v e le x p l o r et e s t ， e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eo x i d i z i n ga b i l i t ) ，o ft h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s t of e r r o u sa n ds u l f u rm a yb eo n l yr e l a t e dw i t ht h en u c l e a rc h r o m o s o m ed n a ，a n d t h e h e r e d i t ys u b s t a n c eo ft h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n si st h en u c l e a rc h r o m o s o m ed n a i no r d e rt or e d u c et h ep r e c i p i t a t e sp r o d u c e dd u r i n gc u l t u r eo fs t r a i nn f - 0 li i l m o d i f i e d9 km e d i u m ，m e d i u mw a so p t i m i z e db ya l t e r i n gt h ec o m p o n e n t so f9 k m e d i u mr a t i o n a l l y m e a n w h i l e ，t h es t r a i nw a sa d a p t e db ys e q u e n t i a la d a p t i v ec u l t u r e a n di s o l a t i o nv i ac o n t i n u o u sc u l t u r e t h ef e r r o u so x i d a t i o nr a t er e a c h e do 3 3 7 6g l 。h - 1 ， w h i c hi ss i m i l a rt ot h eo r i g i n a lt y p e m o r e o v e r ，t h ep r e c i p i t a t ec a m ei n t ob e i n ga t h 华中农业大学2 0 0 8 届硕上学位论文 l a t e s t ，a n di tw a st h el e a s t ，w h i c hw a si na c c o r d a n c ew i t ht h er e p o r tm e n t i o n e d t h i sp a p e ri n t e n d st op r e s e n tt h er e s u l t so fzf e r r o o x i d a n so nd e s u l p h u r i z a t i o nf r o ms e w a g e s l u d g ei nt h ei r o n - b a s e db i o l e a c h i n gp r o c e s s d e s u l p h u r i z a t i o nt e s t su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s h a v eb e e nc a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c to nt h er a t eo fb i o d e s u l p h u r i z a t i o n t h ef l u c t u a t i o n s b e t w e e nf e r r o u sa n df e r r i cw e r em o n i t o r e dd u r i n gt h eb i o l e a c h i n gp r o c e s s m i x e dc u l t u r e s ( n f - 0 1a n dn h - 2 ) a td i f f e r e n ti n o c u l a t i o np r o p o r t i o nr a t i ow a st od e t e r m i n ei f t h e yc o u l da f f e c t t h el e a c h i n ga c t i v i t yo fzf e r r o o x i d a n sa n dc o m p a r et h e i rd e s u l p h u r i z a t i o nr a t e s d e s u l p h u r i z a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h eo p t i m a lg r o w t hc o n d i t i o n sa n dd e s u l p h u r i z a t i o ne f f e c t s o fs t r a i nn f - o1d u r i n gt h es e w a g es l u d g eb i o l e a c h i n g l e a c h i n gs u l p h a t ec o n c e n t r a t i o nw a s i n c r e a s e dm o r er a p i d l yw h e ni n o c u l a t i o nc o n c e n t r a t i o n s u p e r i n d u c e d t h ed i f f e r e n c e s o f d e s u l p h u r i z a t i o nr a t eb e t w e e n10 a n d2 5 w e r en o to b v i o u sw i t ht h ee x t e n s i o no fl e a c h i n gt i m e ， a n dt h e ns t a b i l i z e d w h e ni n i t i a lp hv a l u ew a sa b o u t3 5 ，s u l p h a t ec o n c e n t r a t i o n sr e a c h e da sh i g h a s6 4 3 0 0g l l o w e rs e w a g es l u d g ed e n s i t yc a u s e sh i g h e rd e s u l p h u r i z a t i o ne f f e c tp e rg r a mo f s e w a g es l u d g e ，b u ti tw o u l dg ow i t hl o w e rd e s u l p h u r i z a t i o na m o u n t s a t i s f a c t o r ye f f e c tc o u l db e a c h i e v e da t5 s l u d g ed e n s i t y i nb i o d e s u l p h u r i z a t i o np r o c e s so fs l u d g e ，i r o nc o n c e n t r a t i o n sw e r e k e p ti nad y n a m i ce q u i l i b r i u m t h em u t u a li n t e r a c t i o no fn f 一0 1a n dn h - 2c a na c c e l e r a t et h e l e a c h i n go fs u l p h a t ea n dt h ed e s u l f u r i z a t i o no fs l u d g e t h eb e s ti n o c u l a t i o np r o p o r t i o nr a t i oo f n f ola n dn h 一2w a s2 ：3w i t hl e a c h i n gs u l p h a t ec o n c e n t r a t i o na sh i g ha s8 0 0 0 0g l r e s u l t s f r o mt h ep r e s e n ts t u d yi st oc o n t r i b u t et ou n d e r s t a n dd e s u l p h u r i z a t i o nd i s c i p l i n e sa n dm e c h a n i s m s ， a n dt h er o l eo fb i o l e a c h i n gm i c r o o r g a n i s m si nh e a pb i o l e a c h i n go fs e w a g es l u d g e k e y w o r d s ：s e w a g es l u d g e ；t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ( 形) ；1 6 sr d n a ； b i o d e s u l p h u r i z a t i o n i i i 氧化亚铁硫杆菌生物学特性及j 污泥脱硫的研究 缩略词表 a b b r e v i a t i o n i v 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 是否保密否 如需保密，解密时间年月日 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定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做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：昌e 咙丹时间：刃昭年石月弓日 学位论文使用授权书 本人完全了解“华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定”，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 e - 编学位论文。本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论 猢黼虢吕蝴锄始垒弋 签名日期：加d g 年石月侈日 签名日期：细占年厂月多日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 华中农业大学2 0 0 8 届硕上学位论文 j _ d k 。i 一 l 刖昌 1 1 研究背景及必要性 随着我国国民经济的发展，工业废水、生活污水的排放量日益增加，环境问 题日益突出，尤其是城市水环境的恶化，影响着人民群众的身心健康。据不完全 统计，全国污水排放量为4 4 7 4 x 1 0 7m 3 d ，不同规模、不同程度的城市污水厂有 1 0 0 多座。每天所产生的污泥量约为污水处理量的0 5 - - 一1 o ，数量十分惊人。 这些污泥含水率高，容易腐烂发臭，如果处置不当，会严重影响当地环境质量， 造成二次污染和资源浪费。目前我国每年城市污泥处理率仅有7 ，而污泥处理 处置费用却高达污水厂总运行费用的4 0 - 6 0 。如何妥善处理这些废弃物污 泥，已成为建设完整城市污水处理厂，提高技术水平和管理水平的重要因素。因 此，研究技术上先进，经济上合理的污泥处理方法是十分重要的( 牛樱和陈季华， 2 0 0 0 ) 。近年来，国家和地方政府非常重视污泥处理工程建设。预计至u 2 0 1 0 年， 我国将新建城市污泥处理厂1 0 0 0 余座，总投资将达1 8 0 0 亿元。在这一进程中，城 市污泥处理工艺的优化，将是环保工作者面临的首要问题( 任红娟，2 0 0 6 ) 。 污泥中有害物( 包括紫外线和微生物作用下分解释放出的h 2 s ，s 0 2 ) ，有 毒气体或本身存在的亚硫酸盐，硫代硫酸盐等还原性以及难溶性重金属硫化物的 存在，在很大程度上限制了污泥农业利用的推行( m c b r i d ee ta 1 1 9 9 7 ；周立祥， 1 9 9 9 ) ；另一方面，由于动植物腐败分解和造纸、制革等行业废水的外排，释放 的硫化物对环境造成污染，特别是水体的污染，可能使水体变质、河流淤泥沉积。 有机化工、印染、洗涤剂加工、农药制造等企业排放的废水和生活污水中常含有 大量的有机硫，水中有机硫化物除本身具有的毒性外，在紫外线和厌氧菌的分解 作用下还会分解产生硫化氢等恶臭物质污染水体和环境空气。硫化物随降雨进入 土壤和水体，也不利于矿区植被的恢复( 毕银丽等，2 0 0 3 ) 。因此，在环境监测 和污水处理过程中，硫化物的脱硫特别重要，并且去除污泥中硫化物( 或称污泥 脱毒) 对污泥再生利用意义重大。 利用氧化亚铁硫杆菌( t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s ，简称z 力能氧化f e 2 + 、低价态 硫为f e 3 + 和硫酸根而获得能量的特性进行生物淋滤( b i o l e a c h i n g ) 是近1 0 年来才兴 起的净化污泥新技术，且在生物冶金、脱除h 2 s ，s 0 2 气体、煤炭脱硫、废水处 理等领域占有主导地位( b a l d ie ta 1 ，19 9 2 ；b o o n ，19 9 6 ) ，已成为工业生物淋滤各 金属的主要菌种之一，并且在工业废气，石油废气的处理，生活污水净化等方面 都具有应用价值和广阔的发展前景( 马艳玲等，2 0 0 2 ；沈镭等，2 0 0 5 ) 。国外大 量报道表明z 所i j 用f e s 0 4 和硫单质为能源物质培养已成功用于污泥中重金属的 浸出，尤其是进入9 0 年代以来，相关报道逐渐增多( a y u me ta 1 ，2 0 0 0 ；x i a n gl 氧化砸铁硫杆菌生物学特性及其污泥脱硫的研究 2 0 0 0 ) 。目前，污泥尚无真正实现无害化处理，没有合适的处理出路。与常规的 物理化学方法相比，依据z 厂能氧化亚铁及低价态硫化合物，将污泥环境中硫化 物以硫酸根形式溶出的基本原理( 或称污泥脱毒) ，采用污泥微生物处理技术既节 约了大量的成本，使污泥中植物养分损失少，又有效避免未完全氧化的元素硫残 留于脱毒污泥中导致“后酸化效应”。脱毒后的污泥可开发成高价值优质农肥产 品，具有重大的环境生态效应及经济效益( 周顺桂，2 0 0 2 ；c h e ne ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 1 2 文献综述 1 2 1 氧化亚铁硫杆菌的生物学特性 1 9 4 7 年c o l m e r 和h i n k l e 从矿山酸性废水中分离出一株极端嗜酸杆菌并命名 为氧化亚铁硫杆菌( t h i o b a c i l l u s 弦r r o o x i d a n s ) ，形态呈圆头短杆状，长1 o 2 0 l a m ，宽o 5 0 8 岬，端生鞭毛，能活泼运动，属革兰氏阴性。区别于其它异养 微生物的特点有： 1 化能无机营养：靠氧化亚铁离子或单质硫及还原态硫化物获能，依靠f e 2 + 氧化成f e ”或s o 氧化成8 0 4 2 - 或其他无机物的电子传递过程获得能量。 2 自养性：仅以空气中的c 0 2 为唯一碳源，吸收氮、磷、钾基本元素及m g 、 n a 、c a 、c o 等微量元素无机营养，合成菌体细胞，它们不能在有机培养基上生 长。虽然已报道8 株菌中的2 株在蔗糖培养基上经一个时期适应之后能生长，但 认为是严格自养的( 郑士民和颜望明，1 9 8 3 ) 。 3 嗜酸性：在酸性条件下最适生长，最适p h 在2 0 5 8 之间，在p h1 4 6 0 范围间能生长，更低的范围可延至1 4 以下( t u o v i n e n 和k e l l y ，未发表的数 据) 。其生长过程中活性与生长速率取决于温度，酸度，盐度及有害物质的质量 浓度，营养物及氧源，碳源等条件，大部分研究集中在以下几个方面： 1 2 1 1 环境p l - i 值的影响 z 厂在氧化亚铁及低价态硫化物时环境p h 也能影响整个吸附和反应底物的 化学状态，p e s i c 用氧化还原手段研究了p h 对生长的影响，结果表明p h 在1 5 3 5 之间时，z 厂的生长不受影响，但如果p h 小于1 5 或高于3 5 将对生长有害。 s m i t h 认为p h 在1 9 - 2 4 之间适合生长，p h 在接近1 0 和4 0 时会受到强烈的 抑制( n e m a t ie ta 1 ，1 9 9 8 ) 。细菌生长时环境p h 值是强酸性的，属于极端嗜酸类 细菌。也发现过个别种有着对环境极端酸性p h 更耐受或者生长p h 范围更大的 不同表型，这是由于分离细菌生长的环境差异造成的，推测这和细胞膜表面的特 殊结构及通透性有关，也有研究认为z 厂最适p h 的差别和可转座的d n a 有关 系( s c h a r d e ra n dh o l m e s ，1 9 8 8 ) 。 1 2 1 2 环境温度 2 华中农业大学2 0 0 8 届硕士学位论文 z f n 于中等嗜温菌，在2 0 * ( 2 4 0 范围内都能生长，温度过高和过低都会 影响细菌的生长速度和氧化速度。2 8 3 5 适宜z 厂生长，z 厂在3 3 生长最 为合适，再提高温度则亚铁氧化率会开始下降。最适温度和环境p h 有相关性， 低的环境p h 会使最适温度也降低，在p h 为2 5 - - - - 3 5 时细菌生长的最高耐温能 达到4 5 。c ，但当p h 为1 5 时最高耐温只有3 5 ，分离菌株不同，特性也有不同。 h a r r i s o n 曾在铀矿中发现在5 。c 下也能生长的z 万温度同样对细菌氧化低价化合 物有影响，在细胞内部发生的生化氧化所需要的基础能量代谢值要比短期的化学 氧化高得多，高能值也意味着生化反应要限制在较低的温度，高温也会使生物体 内各种氧化酶系丧失活性，使细菌的新陈代谢系统受到破坏而死亡( l e d u ca n d f e r r o n i ，19 9 4 ) 。 1 2 1 3 氧气和二氧化碳浓度 自养硫杆菌都是专性好氧微生物，0 2 是氧化铁和元素硫的唯一电子受体， 足量的氧是硫杆菌生长的必要条件。溶解氧浓度少于0 2 9m g l 时会对z 厂生长 产生抑制，小于0 2m g lz 厂将停止生长。当z 厂在含有2 0 0m l 培养液的5 0 0m l 三角瓶中以2 4 0r m i n 转速培养时，0 2 浓度不再为限制性因素( s h r i h a r ia n dg a n d h ， 1 9 9 0 ) 。 c 0 2 对自养细菌来说是唯一碳源，但并不是c 0 2 浓度越高细菌生长速度也越 快，实验发现z 厂生长所需要的最佳c 0 2 浓度为7 - - - - 8 ，尽管最大的细胞生物 量对应的浓度在这个浓度以上，但超过这个浓度使细菌的生长会受到一定的抑制 ( b a r t o na n dl u e c k i n g ，19 9 0 ) 。 可以看出硫杆菌在生长过程中的0 2 、c 0 2 都是重要影响因素，在实验培养 和工业应用时需要通过振荡、搅拌或充气来获得空气中的0 2 、c 0 2 来生长，如 果利用硫杆菌进行浸堆氧化实验，从获取空气中的0 2 、c 0 2 来说是不能满足细 菌的生长需要的，因此所需要的时间会延长数倍，通常的浸堆实验都长达数月甚 至数年。 1 2 1 4 金属离子影响 研究金属离子对z 厂活性的影响主要集中在3 类金属离子上： ( 1 ) 生长所需的营养金属离子( f e 2 + ，m 9 2 + 等) 一定量的f e 2 + ，m 9 2 + 能使z 厂数量、活性迅速提高，缩短z 厂延滞期。刘清， 张宇等实验( 2 0 0 6 ) 表明：当p ( f e 2 + ) - - 4 5g l 时，最有利于z 厂浸矿时产酸；而 当p ( m 9 2 + ) 2 0 5g l 时，z 厂生长完全受到抑制。虽为营养物，并非越多越好。 当m 9 2 + 增加到一定程度，抑制z 厂生长原因可能是t f 与溶液之间渗透压升高， 从而影响正常生理功能，或者是由于m 9 2 + 浓度过高影响其他物质代谢过程。 ( 2 ) 起抑制作用金属离子( n i 2 + ，c 0 2 + ，c u 2 + ，u 6 + 等) 氧化亚铁硫杆菌生物学特性及) e 污泥脱硫的研究 李洪枚和柯家骏( 2 0 0 0 ) 在一定条件下研究了c u 2 + 对z 厂生长活性的影响， 发现c u 2 + 使z 厂生长活性下降。表现在细菌生长的停滞期和对数期均较长，f e 2 + 的氧化速度较慢；经驯化后的7 = 厂在p ( c u 2 + ) = 2 0 - - - 3 0g l 的培养基中生长活性有 提高，对f e 2 + 的氧化速率加快。由于这类离子与细菌蛋白结合而使之变性或进入 细胞后与酶上的s h 结合而使其失去活性，或与代谢中间产物结合而使代谢受阻， 从而抑制微生物生长或导致死亡。毒性大小的顺序是铜 镍 钴。这与2 0 0 1 年， m i s a m p s o n 和c v p h i l l i p s 报道了金属铜、镍、钴对z 厂氧化能力的影响，毒性大 小的顺序是铜 镍钴结论一致。l e d u c 和f e r r o n i 报道z 厂能忍受8 0 2 0 0 m m o l lc u 、1 6 0m m o l ln i 。金属对z 厂的毒性主要受细胞的生理状态、矿物的 化学状态和细菌与周围环境相对作用程度的影响：例如a s ( v ) 的毒性就比a s ( i i i ) 小。f e ”的浓度超过2 0g l 将阻止f e 2 + 的氧化，引起细胞的溶解( 乐长高等，2 0 0 3 ) 。 ( 3 ) 起催化作用提高浸出效率金属离子( a g + ，h 9 2 + 等) 催化离子除a g + ，h 9 2 + 外，还有c 0 2 + ，h 9 2 + ，b i 3 + ，但不如a g + 明显。当o ( a 矿) = o 0 0 5 - - 一0 0 2g l 范围内，对7 = 厂细菌浸矿有较强催化作用。催化作用机理可 能是催化离子与被浸出离子( c u 2 + ，n i 2 + ，f e 2 + ) 共价半径相近，为催化离子进入 矿物表面晶格提供了空间。在细菌破坏了矿石表面晶格同时，催化离子进入表面 晶格取代晶格中金属，生成催化离子的硫化物，更严重破坏了矿石表面晶格，促 进了细菌的浸矿作用。 1 2 1 5 底物和产物浓度的影响 m a n i s h ag ，d a s t i d a r 等( 2 0 0 0 ) 通过改变f e s 0 4 浓度( 1 0g l ，2 0g l 5 5 l ) 以及在培养基中加入3 种不同f e 3 + 浓度( 1g l ，5g l ，1 0 l ) ，研究底物浓度和 产物浓度对生长行为及其动力学氧化活性的影响。由于底物活化效应和抑制效 应，造成f e 2 + 的氧化率最初也在增长，然后下降。研究得出3 0 l 是最适f e s 0 4 浓度，超过此值底物就发挥抑制效应。原因是每一个z 厂细胞应该包含使f e 2 + 氧 化成f e ”的酶，此酶估计有多个底物结合位点，并且发挥协同促进作用，然而当 在大量底物存在条件下，又一个底物分子结合到另一个酶一底物复合物上导致一 个没有反应活性的中间复合物的形成。研究还得出在高浓度f e ”存在条件下，f e 氧化作用明显受到抑制，导致了延缓期延长，发生f e 2 + + 1 4 0 2 + h + - - - ，f e ”+ l 2 h 2 0 反应，因此生物脱硫率总体下降了。 1 2 2 生物脱硫概述 生物脱硫( b i o d e s u l f u r i z a t i o n ，b d s ) 是在温和条件下利用各种适宜微生物菌 群将化合态或有机态硫释放出来的过程。主要利用特殊微生物对含硫的环境污染 物有独特消化能力的特点，使本来存在于化合物中的硫成为水溶性的化合物。和 传统的物理化学法相比，生物脱硫技术具有可在常温、常压下进行，生产成本低， 4 华中农业大学2 0 0 8 届硕士学位论文 耗能少，专一性强，二次污染小等优点，是目前国内外脱硫研究的焦点( b e v e r l y , 1 9 9 9 ) 。 生物脱硫分为脱无机硫和有机硫两种。目前分离得到可从难降解的有机硫化 物的典型代表d b t 中脱除有机硫的细菌，包括假单胞菌，红球菌，棒杆菌，短 杆菌，戈登氏菌，诺卡氏菌等。其中，1 9 8 9 年美国天然气研究所分离到的紫红 红球菌i g t s 8 是研究最多的菌种( 黄彦君等，2 0 0 3 ) 。2 0 0 1 年美国e b c 公司投 产了日处理量5 0 0 0 桶的柴油的生物脱硫中试工厂，证明了生物脱硫的可能性。 生物脱无机硫是从分离得到氧化亚铁硫杆菌以后发展起来的，它利用无机化 能自养菌的生物氧化还原反应过程进行脱硫，能氧化黄铁矿使其中固体形态的硫 转化为可溶性的硫酸根。此后人们又分离出氧化硫硫杆菌( t h i o b a c i l l u s t h i o o x i d a n s ) ，包括嗜热硫叶菌( s u t f o b a c i l l u s ) 、喜温硫杆菌( h a l l b e r ga n dl i n d s t r ， 1 9 9 4 ) 和氧化亚铁钩端螺旋菌( 三f e r r o o x i d a n s ) 等用于脱硫实验。8 0 年代后，国 外开始把微生物脱硫研究工作转向应用性研究和实验，并成立了一些公司，如美 国a r t e c h 和h a t t e l l e 公司。在此基础上，由欧共体资助，德国e s s e n 的d e u t s c h e m o n t a nt e c h n o l o g i e ( d m t ) 、意大利c a g l i a r i 大学的采矿和矿物处理系、荷兰d e l f t 技术大学和英国的实验室共同合作，在1 9 9 1 年意大利的e n ic h e ma n i c 煤矿开 展了浸出法微生物脱硫的连续性中试研究( 康淑云，1 9 9 9 ) 。 我国微生物脱硫的研究起步较晚，近年来，一些实验室分离得到一些脱无机 硫的菌种，如螺旋状专性化能自养铁氧化细菌和中度嗜热嗜酸硫氧化杆菌等，在 生物脱硫实验方面也做了很多尝试，取得一些成果( 赵郁超等，2 0 0 2 ；邸进申等， 2 0 0 3 ) ，但都还未能产业化应用，而有关废弃的污水污泥生物脱硫还未见报道。 依据作用对象，微生物脱硫技术的研究主要集中在以下3 个方面：( 1 ) 煤炭 脱硫( 2 ) 工业废气脱硫( 3 ) 烟道气脱硫 1 2 2 1 煤炭微生物脱硫技术 目前，对微生物煤炭脱硫技术的研究重点放在四组微生物上，即：硫杆菌属、 硫化叶菌属、大肠杆菌属和假单胞菌属。据报道，1 9 7 8 年，美国爱达荷国家工 程实验室用氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌的混合培养物处理煤，4 5 天可脱 除9 7 的无机硫。1 9 9 0 年，我国的徐毅、钟慧芳等用氧化亚铁硫杆菌z 产4 菌株 脱除四川松藻煤矿样品中黄铁矿，取得了初步成果。在单因子试验条件下，采用 l e a t h e n 培养基培养细菌，煤浆起始p h 值为2 2 ，接种量为1 0 1 2 细胞儋黄铁矿， 煤浆浓度为1 0 ，摇床转速1 4 0 1 7 0r m i n ，总脱硫期为1 2 天，煤总含硫量从 2 4 5 降至1 2 0 。但是氧化亚铁硫杆菌只能脱除原煤中的单体解离或连生体的 黄铁矿，而对完全包裹的黄铁矿则无能为力。2 0 0 6 年，胡瑜等( 2 0 0 7 ) 人用氧 化硫c m t t - 3 2 菌株进行煤矸石的室内摇瓶浸出脱硫实验取得了较好的脱硫效 氧化哑铁硫杆菌生物学特性及其污泥脱硫的研究 果。实验结果表明：2 8 ，矸石浓度为1 0 ，初始p h 为1 5 时，1 4d 生物浸出 后得到8 4 5 的脱硫率，脱硫量为2 7 2g l 。 煤中另一部分可燃硫为有机硫：以化学键结合构成芳香族和脂肪族化合物存 在于煤结构中，较无机硫难以用物化法脱除。具有脱除有机硫能力的微生物主要 是有机化能异养微生物，多为土壤微生物的变种，需在p h 近中性条件下生长。 脱除有机硫微生物主要有：恶臭假单胞菌( p s e u d o m o n o a sp u l i d a ) 、大肠杆菌的变 种等。钟慧芳等利用多隆假单胞菌伊m e n d o c o a s ) 和a l c a l i g e n s p a r a d o x u sb i o v a r l 菌，1 5 天脱硫率达到2 2 2 , - - - 3 2 。目前，王锐兰等人( 2 0 0 4 ) 研究得到有机硫 脱除率达4 0 。迄今为止，煤炭的微生物脱硫主要集中在脱除无机硫方面，脱除 有机硫的工作仍停留在实验室研究阶段，距工业化应用尚有较大距离。 1 2 2 2 工业废气微生物脱硫 工业废气( 含h 2 s ) 生物脱硫是近年来国内外研究的一个新课题。常用的细菌 有氧化亚铁硫杆菌，脱氮硫杆菌( 丁d e n i t r i f f c a n s ) ，排硫硫杆菌( 丁t h i o p a r u s ) 。 郑士民等( 1 9 8 3 ) 在实验室条件下设计了穿流栅孔板塔为气体吸收塔，用t f 菌 对炼油厂催化裂解干气和工业沼气进行脱硫。沼气和炼油厂催化干气中的h 2 s 平均脱硫率为7 1 4 5 和4 6 9 1 。利用其他菌进行废气脱硫也有较好的效果。 s a l e e m 等利用筛选到的脱氮硫杆菌的耐受菌株t d e n i t r i f i c a l l sf 进行h 2 s 去除， 在厌氧条件下，每克菌体氧化h 2 s1 5 1 - - 2 0 9m m o l h ，脱硫率达8 0 。光合细菌 中的紫色硫细菌和绿色硫细菌的一些种在厌氧条件下，以h 2 s 为供氢体，被氧 化成s o 或进一步氧化成硫酸。r a h u l 研究表明，在2 7m i n 停留时间，2 个1 5 0w 光源照射，h 2 s 转化率达到9 9 5 。小林正泰等人用填充柱生物膜系统和淹没式 系统研究光合细菌对h 2 s 的转化率，达到9 5 转化时，淹没系统停留时间2 4 6 m i n ，而填充柱系统停留时间为1 8h 。可见，反应器类型也影响h 2 s 的脱硫效果。 1 2 2 3 烟道气微生物脱硫 目前，烟道气脱硫技术中最为成熟的是湿法脱硫。该法脱硫效率高，但脱硫 剂用量大，运行费用高，存在二次污染等问题。以粉煤灰中的f e 2 0 3 被离子化后 产生的铁离子做催化剂和反应介质，用含z 值的溶液