（环境科学专业论文）氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌的分离培养及其硫代谢机理的研究.pdf

摘要 ( 1 ) 氧化亚铁硫杆菌对硫酸亚铁、硫代硫酸钠和亚硫酸氢钠均有很强的利用 能力，但对硫的利用能力不如氧化硫硫杆菌；氧化硫硫杆菌对硫代硫酸钠、亚硫 酸氢钠和硫均有很强的利用能力，但难以利用硫酸亚铁。 ( 2 ) 两种硫杆菌对硫代硫酸钠的代谢机理都极为复杂，硫代硫酸钠被氧化后 的产物有硫酸、连多硫酸钠、硫和二氧化硫等； ( 3 ) 适当的曝气条件能显著加快氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌对硫代硫酸 钠和亚硫酸氢钠的氧化速度，但对两种菌利用硫酸亚铁和单质硫的促进作用不明 显： ( 4 ) 较低的起始p h 能显著加快氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌对硫酸亚铁、 硫代硫酸钠和硫的氧化速度； ( 5 ) 可溶性小分子有机物，特别是乙醚和乙醛对氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫 杆菌有相当的毒害作用，能显著延长硫杆菌的生长迟缓期，减慢其对底物的利用 速度。 关键词：氧化亚铁硫杆菌( z ，) ，氧化硫硫杆菌( z f ) ，硫化合物，代谢机理 i i ! ! ! ! ! ! ! ! 一 s t u d yo ni s o l a t i o n ，c u l t i v a t i o na n d m e t a b o l i c m e c h a n i s m so fs u l f u ro ft h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s a n dt h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s m 砌o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e c e n a m e ：s h e nl e i s u p e r v i s o r ：p r o f j i ax i a o - s h a n a b s t r a c t t h i o b a c i u u s 扛r r o o x i d a n s ( 功a n d t h i o b a c i l l u s t h i o o x i d a n s ( t t ) a r et w o a c i d o p h i l i ct h i o b a c t e r i u mw h i c hc a l lo x i d i z er e d u c e ds u l f u rc o m p o u n d sa n dp r o d u c e s u l f u r i ca c i d a st h ep r o t a g o n i s to fm e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g yo fb i o l e a c h i n g ，t h e s et w o t h i o b a c t e r i u mw e r ew i d e l yu s e dt ol e a c ha n dr e c o v e rm e t a l sf r o ml o wg r a d eo r e ss i n c e t h et w e n t i e t hc e n t r y i nr e c e n t y e a r s ，t h e s e t w ot h i o b a c t e r i u mw a sa p p l i e dt ot h et r e a t m e n to f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb e c a u s eo ft h e i rc h a r a c t e r i s t i c s m a n yr e s e a r c h e sw e r ed o n et o s t u d yt h ed e s u l f u r a t i o no fc o a la n ds t a c kg a s ，r e m o v a lo fh e a v ym e t a l sc o n t a i n e di n s e w a g es l u d g e sb yb i o l e a c h i n g a n dt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o no fb i o l e a c h i n gw a s p u s h e df o r w a r dt oac e r t a i nl e v e l h o w e v e r ，t h eu t i l i z a t i o nc a p a b i l i t yo f 玎a n dz t a g a i n s td i f f e r e n ts u l f u rc o m p o u n d sh a dn o tb e e na s s e s s ds y s t e m a t i c a l l ya n dr a t i o n a l l y s of a r b e s i d e s ，t h em e t a b o l i cm e c h a n i s m so fs u l f u ro fz fa n dt tr e m a i n e dd i s p u t a b l e f u r t h e r m o r e ，m o s to ft h er e s e a r c h e sc o n c e r n i n gt h i o b a c i l l u sw e r ed o n ew i t hi n o r g a n i c c o m p o u n d s f e wr e s e a r c h e sw e r ed o n eo nt h et o x i ce f f e c t so fo r g a n i cc o m p o u n d s o n t h i o b a c i l l u s i nt h i sr e s e a r c h ，f i r s t ，玎a n dt tw e r eo b t a i n e df r o mah o ts p r i n gc o n t a i n i n gs u l f u r 1 1 i a h s t r a c t a n dap y r i t em i n ea f t e ras e r i e so fc u l t i v a t i n g ，s e p a r a t i n ga n dp u r i f y i n g a n df e r r o u s s u l f a t e ，s o d i u mt h i o s u l f a t e ，e l e m e n t a ls u l f u ra n ds o d i u mb i s u l f i t ew e r ea d d e dt oz fa n d t t r e s p e c t i v e l yi nac e r t a i nc o n c e n t r a t i o n t h e n ，v a r i a t i o no ft h ec o n t e n t so ft h e s e s u b s t r a t e s ，u t i l i z a t i o nc a p a b i l i t yo ft fa n dt ta g a i n s tt h e s es u l f u rc o m p o u n d sa n d c o n v e r s i o no ft h e s ec o m p o u n d si nt h es o l u t i o nw e r ei n v e s t i g a t e du n d e rd i f f e r e n tl e v e l s o fd i s s o l v e do x y g e na n di n i t i a lp h b e s i d e s ，t h et o x i ce f f e c t so fd i f f e r e n ts o l u b l e m i c r o m o l e c u l eo r g a n i cc o m p o u n d so nz f a n dt tw e r ea l s os t u d i e di nt h i sr e s e a r c h r e s u l t ss h o w e dt h a t ： ( 1 ) r fh a das t r o n gc a p a b i l i t yt ou t i l i z ef e r r o u ss u l f a t e ，s o d i u mt h i o s u l f a t ea n d s o d i u mb i s u l f i t e ，b u ti t sc a p a b i l i t yt ou t i l i z ee l e m e n t a ls u l f u rw a sw e a k e rt h a nz f ：t t h a das t r o n gc a p a b i l i t yt ou t i l i z ee l e m e n t a ls u l f u ls o d i u mt h i o s u l f a t ea n ds o d i u m b i s u l f i t e ，b u ti tw a sd i f f i c u l tf o rt tt ou t i l i z ef e r r o u ss u l f a t e ( 2 ) t h em e t a b o l i cm e c h a n i s m so fs o d i u mt h i o s u l f a t eb yz ，a n dz tw e r ev e r y c o m p l i c a t e d t h ep r o d u c t so fo x i d a t i o no fs o d i u mt h i o s u l f a t ew e r es u l f u r i ca c i d ， p o l y t h i o n a t e s ，e l e m e n t a ls u l f u r , s u l f u rd i o x i d ea n ds oo n ； ( 3 ) a p p r o p r i a t ea e r a t i o nc o u l do b v i o u s l ya c c e l e r a t et h eo x i d a t i o no fs o d i u m t h i o s u l f a t ea n ds o d i u mb i s u l f i t eb yt fa n dt t ，b u tt h ee f f e c to f a e r a t i o no nt h e o x i d a t i o no ff e r r o u ss u l f a t ea n de l e m e n t a ls u l f u rw e r en o to b v i o u s ； ( 4 ) t h el a gp h a s e so ft fa n dt tc o u l db es h o r t e n e da n dt h eo x i d a t i o no ff e r r o u s s u l f a t e ，s o d i u mt h i o s u l f a t e ，e l e m e n t a ls u l f u ra n ds o d i u mb i s u l f i t ec o u l db eo b v i o u s l y a c c e l e r a t e db yal o wi n i t i a lp h ； ( 5 ) s o l u b l em i c r o m o l e c u l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，e s p e c i a l l ya l d e h y d ea n da e t h e rh a d c e r t a i nt o x i ce f f e c t so nr fa n dt tw h i c hc o u l dp r o l o n gt h el a g p h a s e so fr fa n dt ta n d r e d u c e dt h eo x i d a t i o nr a t e so ft h es u b s t r a t e s k e y w o r d s ：t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ( 7 ，t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s ( z 0 ，s u l f u r c o m p o u n d s ，m e t a b o l i cm e c h a n i s m 全文缩略词( l i s to fa b b r e v i a t i o n s ) 全文缩略词( l i s to f a b b r e v i a t i o n s ) 化学需氧量 溶解氧 氧化亚铁硫杆菌 氧化硫硫杆菌 c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，c o d d i s s o l v e do x y g e n ，d o t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s ，z ， t h i o b a c i l l u st h 妇o x i d a n s ，t t v 全文图列( l is to ff i g u r e s ) 全文图列( l i s to f f i g u r e s ) 图2 19 k 固体培养基上的白色菌落 f i g 2 一iw h i t ec o l o n i e s o n9 k s o l i d m e d i u m 图2 29 k 固体培养基上的红褐色菌落 f i g 2 - 2r a f o u sc o l o n i e so n9 k s o l i dm e d i u m 图2 3 硫代硫酸钠固体培养基上的乳白色菌落 f i g2 - 3m i l k yc o l o n i e so ns o d i u mt h i o s u 洳t es o l i dm e d i u m 图2 49 k 培养基中的短杆茵 f i g 2 - 4s h o r tb a c i l l i 如9 k m e d i u m 图2 5s t a r k e y 培养基中的短杆茵 f i g 2 - 5s h o r tb a c i l l i 加s t a r k e ym e d i u m 图2 69 k 培养基中短杆菌的扫描照片( s e m x l 5 0 0 0 ) f i g 2 6s c a n n i n ge l e c 打o n m i c r o s c o p ea n a l 粥拓o f t h es h o r tb a c d “i h9 k m e d i u m ( s e m x l 5 0 0 0 ) 图2 7s t a r k e y 培养基中短杆菌的扫描照片( s e m x l 5 0 0 0 ) f i g 2 7s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p ea r i a 船括o f 龋es h o r tb a c i l l i 加s t a r k e ym e d i u m ( s e m x l 5 0 0 0 ) 图2 8 不同来源的氧化亚铁硫杆菌氧化f e “的速度比较 f i g 。2 - 8o x i d a t i o nr a t e so f f e 2 + b yt f e r r o o x i d a n s f r o md i f f e r e n t s o u r c e s 图2 9 不同来源的氧化硫硫杆菌利用硫粉产生硫酸的速度比较 v i 全文图列( l i s to ff i g u r e s ) f i g 2 - 9c o n c e n t r a t i o no f s o , 2 - p r o d u c e db yt t h i o o x i d a n s f r o md i f f e r e n ts o u m e s 图3 1 在玎和t t 利用硫酸亚铁的过程中p h 、d o 、f e 2 + 浓度和5 0 4 2 - 浓度的变化曲线 f i g 3 - 1v a r i a t i o no f p h , d oa n dc o n c e n t r a t i o no ff e 2 + a n ds o g 搋t h eu t i l i z a t i o np r o c e s so f f e r r o u ss u 扣t eb yt f a n dt t 图3 2 氧化亚铁硫杆菌对r “的生物氧化模式以 f i g 3 2t h e p a t t e r no f b i o - o x i d a t i o no f r e 2 + b yz f e r r o o x i d a n s 图3 3 在玎和t t 利用硫代硫酸钠的过程中p h ，d o ，s 0 3 、s 2 0 3 2 。、$ 4 0 6 2 - 和s 0 4 2 - 浓度的 变化曲线 f i g 3 - 3v a r i a t i o no f p h , d oa n dc o n c e n t r a t i o no f s 0 3 2 。$ 2 0 3 z 。，s p 0 a n ds 0 7 。i nt h eh t i l i z a t i o q p r o c e s so j s o d i u m t h i o s u 取t e b y 耐a n d z t 图3 4 在玎和t t 利用单质硫的过程中p h 、d o 和s 0 4 2 - 浓度的变化曲线 f i g 3 - 4v a r i a t i o no f p h , d oa n dc o n c e n t r a t i o no fs 0 2 一跏t h eu t i l i z a t i o np r o c e s so fe l e m e n t a l s 曲h rb y q a n d t t 图3 5 在玎和z t 利用亚硫酸氢钠的过程中p h 、d o 、f e 2 + 浓度和s 0 4 2 - 浓度的变化曲线 f i g 3 - 5v a r i a t i o no f p h , d o , c o n c e n t r a t i o no f f e 2 a n ds 0 4 。i nt h eu t i l i z a t i o np r o c e s so fs o d i m b i s u l f i t eb y 玎a n dt t 图3 6z ，和z f 对不同硫化舍物的代谢机理示意图 f i g 3 - 6m e t a b o l i cm e c h a n i s m so f d i f f e r e n ts u l f u rc o m p o u n d sb yz f a n dt t 图3 7 在不同溶解氧浓度下彤利用硫酸亚铁的过程中d o 乖f e 2 + 浓度的变化曲线 f t g 3 - 7v a r i a t i o ho f d oa n dc o n c e n t r a t i o no f f e n i nt h eu t i l i z a t i o n p r o c e s so f f e r r o u ss u l f a t eb yi f u n d e rd i f f e r e n tl e v e l so fd i s s o l v e do x y g e n v i i 全文图列( l i s to ff i g u r e s ) 图3 8 在不同溶解氧浓度下r 利用硫代硫酸钠的过程中p h ，d o ，s 0 3 2 、1 2 0 3 2 。、$ 4 0 6 2 。 和s 0 4 2 浓度的变化曲线 f i g 3 - 8v a r i a t i o no f p h , d o , c o n c e n t r a t i o no f s 0 3 2 。s 2 0 。，5 4 0 6 2 a n d5 0 4 2 i nt h eu t i l i z a t i o n p r o c e s so f s o d i u mt h i o s u f ，口t eb yr f u n d e rd i f f e r e n tl e v e l so f d i s s o l v e do x y g e n 图3 9 在不同溶解氧浓度下玎利用亚硫酸氢钠的过程中d o 和s 0 3 2 一浓度的变化曲线 f i g 3 - 9 v a r i a t i o n o f d o a n dc o n c e n t r a t i o n o f $ 0 3 2 一i n t h eu t i l i z a t i o n p r o c e s s o f s o d i u mb i s u l f i t e b y r f u n d e rd i f f e r e n tl e v e l so f d i s s o l v e do x y g e n 图3 1 0 在不同溶解氧浓度下z t 利用硫代硫酸钠的过程中p h ，d o ，s 0 3 、$ 2 0 3 2 。、$ 4 0 6 2 一 和s o 。2 。浓度的变化曲线 f i g 3 - 1 0v a r i a t i o no f p h , d o , c o n c e n t r a a o no fs o ，2 s 如s p 0 。a n ds o ? i nt h e 饿n | z n 矗o n p r o c e s so f s o d i u mt h i o s u l f a t eb yt tu n d e rd i f f e r e n tl e v e l so f d i s s o l v e do x y g e n 图3 1 1 在不同溶解氧浓度下z f 利用亚硫酸氢钠的过程中d o 和s 0 3 2 - 浓度的变化曲线 f i g 3 - hv a r i a t i o no f d oa n dc o n c e n t r a t i o no f s o s 2i nt h eu t i l i z a t i o np r o c e s so f s o d i u mb i s u l f i t e 印t tu n d e rd i f f e r e n tl e v e l so f d i s s o l v e do x y g e n 图3 1 2 在不同起始p h 条件下研利用硫酸亚铁的过程中p h 、 f i g 3 - 1 2v a r i a t i o no f p h , d oa n dc o n c e n t r a t i o no ff e 2 + i nt h e s u t f a t eb yr f u n d e rd i f f e r e n tl e v e l so f i n i t i a l p h d o 和f e 2 + 浓度的变化曲线 图3 1 3 在不同起始p h 条件下混合菌株利用硫代硫酸钠的过程中p h ，d o ，s 0 3 2 。、s 2 0 3 2 。、 s 4 0 6 ：一和s 0 4 2 - 浓度的变化曲线 f i g 3 - 1 3v a r i a t i o no f p h , d o , c o n c e n t r a t i o no f s o j 2 j & o s 2 j5 徊6 2 。a n ds 0 4 2 。i nt h e “f f 舷口如n p r o c e s so f s o d i u mt h i o s u l f a t eb ym i x e dc u l t u r eu n d e rd i f f e r e n tl e v e l so f & i t i a i p h i i 全文图列( l i s to ff i g u r e s ) 图3 1 4 在不同起始p h 条件下混合菌株利用单质硫的过程中p h 和s o 。2 浓度的变化曲线 f i g 3 - 1 4v a r i a t i o no f p h a n dc o n c e n t r a t i o no f s o j 2 一胁t h eu t i l i z a t i o n p r o c e s so f e l e m e n t a ls u l f u r b ym i x e dc u l t u r eu n d e rd i f f e r e n tl e v e l so f i n i t i a l p h 图3 1 5 在添加不同可溶性小分子有机物的条件下玎利用硫酸亚铁的过程中p r i j p f e 2 + 浓度 的变化曲线 f i g 3 1 5v a r i a t i o no f p ha n dc o n c e n t r a t i o no f f e 2 + 加t h eu t i l i z a t i o np r o c e s so f f e r r o u ss u l f a t eb y t f u n d e rt h ee f f e c t so f d i f f e r e n ts o l u b l em i c r o m o l e c u l eo r g a n 耙c o m p o u n d s 图3 1 6 在添加不同可溶性小分子有机物的条件下t t 利用单质硫的过程中p h 和s 0 4 2 一浓度 的变化曲线 f i g 3 _ 1 6 v a r i a t i o n o f p h n n d c o n c e n t r a t i o n o f $ 0 4 2 一m t h eu t i l i z a t i o n p r o c e s s o f e l e m e n t a i s h 帆r b y t tu n d e rt h ee f f e c t so f d i f f e r e n ts o l u b l em i c r o m o l e c u l eo r g a n 把c o m p o u n d s l x 全文表列( l i s to ft a b l e s ) 全文表列( l i s to f t a b l e s ) 表2 1 硫杆菌培养实验的主要仪器与设备 t a b l e2 - m a i ne q u i p m e n t s f o rt h ec u l t i v a t i o no l t h i o b a c i l l u s 表2 2 扩大培养8 4 小时后各瓶玎培养, a e e 的细菌密度变化 t a b l e2 - 2v a r i a t i o no fb a c t e r i ad e n s i t yo fd i f f e r e n tc u l t u r es o l u t i o no ft f e r r o o x i d a n sb e f o r ea n d a f t e r8 4h o u r so f e n l a r g e m e n tc u l t i v a t i o n 表2 3 扩大培养6 天后各瓶z f 培养液中的细菌密度变化 t a b l e2 - 3v a r i a t i o no f b a c t e r i ad e n s i t yo f d i f f e r e n tc u l t u r es o l u t i o no fz t h i o o x i d a n sb e f o r ea n d a f t e r s i xd a y so f e n l a r g e m e n tc u l t i v a t i o n 表3 1 三种基础培养基的成分( 酣) t a b l e3 - c o m p o n e n t so f t h r e ee l e m e n t a lm e d i u m s 表3 2 硫杆菌利用底物的实验的主要仪器与设备 t a b l e3 - 2m a i ne q u i p m e n t s f o rt h eu a l i z a t i o ne x p e r i m e n to f d i f f e r e n ts u b s t r a t e sb yz f a n dt t 表3 3z ，和n 对不同硫化合物的利用实验中各试样的成分 t a b l e3 - 3 c o m p o n e n t so ft h e t e s ts a m p l e si nt h eu t i l i z a t i o n e x p e r i m e n to fd i f f e r e n ts u l f u r c o m p o u n d sb yz f e r r o o x i d a n sa n dz t h i o o x i d a n s 表3 4 在不同溶解氧浓度下玎对不同硫化合物的利用实验中各试样的成分 t a b l e3 - 4 c o m p o n e n t so ft h e t e s ts a m p l e si nt h eu t i l i z a t i o n e x p e r i m e n to fd i f f e r e n ts “拙r c o m p o u n d sb yz ，u n d e rd i f f e r e n tl e v e l so f d i s s o l v e do x y g e n 表3 5 在不同溶解氧浓度下z f 对不同硫化合物的利用实验中各试样的成分 如6 k3 - 5 c o m p o n e n t so ft h e t e s ts a m p l e si nt h eu t i l i z a t i o n e x p e r i m e n to fd i f f e r e n ts u l f u x 全文表列( l i s to ft a b l e s ) c o m p o u n d sb yt tu n d e rd i f f e r e n tl e v e l so f d i s s o l v e do x y g e n 表3 6 在不同起始p h 条件下z ，和t t 混合菌株对硫化合物的利用实验中各试样的成分 t a b l e3 - 6c o m p o n e n t so f 晓et e s ts a m p l e si nt h eu t i l i z a t i o n e x p e r i m e n to fd i f f e r e n ts u t f u r c o m p o u n d sb ym i x e dc u l t u r eo f r f a n dt tu n d e rd i f f e r e n tl e v e l so f i n i t i a l p h 表3 7 不同可溶性小分子有机物对z ，的毒性实验申各试样的成分 t a b l e 3 7c o m p o n e n t so f t h et e s ts a m p l e si n t h eu t i l i z a t i o ne x p e r i m e n to f f e r r o u ss u l f a t eb yt f u n d e r t h ee f f e x t so f d i f f e r e n ts o l u b l em i c r o m o l e c u l eo r g a n i cc o m p o u n d s 表3 8 不同可溶性小分子有机物对t t 的毒性实验中各试样的成分 t a b l e3 - 8c o m p o n e n t so ft h et e s ts a m p l e so ft h eu t i l i z a t i o ne x p e r i m e n to fe l e m e n t a ls u l f u rb yt t u n d e rt h ee f f e x t so f d i f f e r e n t s o l u b l em i c r o m o l e c u l eo r g a n i cc o m p o u n d s 表3 9 在不同菌株的作用下经1 4 天后硫代硫酸根离子的转化 瑟6 k3 9c o n v e r s i o no f t h i o s u l f a t ei o nu n d e rt h ee f f e c t so f d i f f e r e n tc u l t u r e sa f t e r1 4d a y s 表3 1 0 在不同溶解氧浓度下经z ，作用1 2 天后硫代硫酸根离子的转化 t a b l e3 - 1 0c o n v e r s i o no ft h i o s u l f a t ei o nu n d e rt h e e f f e c to ft fa n dd i f f e r e n tl e v e l so fd l s s o l v e d o x y g e na f t e r1 2d a y s 表3 1 1 在不同起始p h 条件下经混合菌株作用1 4 天后硫代硫酸根离子的转化 t a b l e3 - nc 。e r s 如no ft h i o s u l f a t ei o nh n d e rt h ee f f e c to fm i x e dc u l t u r ea q d d i f f e r e 眦l e v e h 西 i n i t i a l p ha f t e r1 4d a y s x i 第1 章绪论 1 1 选题背景 第1 章绪论 硫是广泛分布于自然界的重要元素之一，在自然界中主要以硫化矿物和硫酸 盐矿物的形式存在，因此它和氧元素并称为成矿元素。 存在于自然界中的硫化合物，在一定条件下，经过一系列复杂的变化，会产 生一些有毒物质。如在处于还原状态的环境中( 如淹水的土壤) ，厌氧条件会使硫 化合物发生降解，最终产物是硫化氢，同时形成有机亚硫酸盐如甲基亚硫酸盐和 丙基亚硫酸盐【”，它们和硫化氢都属于有毒的硫化合物。另一方面，在人类的生 产生活中，煤、石油和天然气等燃料的燃烧，矿石冶炼，交通运输等过程都会排 放出大量的硫化氢或硫化物、二氧化硫等有毒废气、废水、污泥等。这些废物的 累积，将会对环境造成严重的污染，并导致酸雨的产生，引起城市管道和建筑物 腐蚀等危害【2 】，给人类的生存环境和身体健康带来严重的威胁。如何将这些有害 的硫化物转化成稳定无毒的硫酸盐形式，消除有毒硫化物的污染和酸雨的危害， 已成为国民经济发展和环境保护领域亟待解决的问题。 自然界硫的转化主要是在微生物直接或间接参与下完成的。硫细菌是参与硫 循环的主要微生物类群，其中起主要作用的是以硫杆菌属为主体的化能无机营养 硫氧化细菌。它们分布较广+ ，能够通过氧化还原性硫化合物而获得能量，因而在 硫元素循环中起着非常重要的作用。 氧化亚铁硫杆菌( t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ，z ，) 和氧化硫硫杆菌( t h i o b a c i l l u s t h i o o x i d a n s ，z f ) 是硫杆菌属中具有极端嗜酸性的两种化能自养菌，是目日口研究 得最多，经济意义最大的硫氧化细菌 3 1 。这两种菌广泛分布于硫化矿床的酸性废 水中，能通过氧化硫化合物产生硫酸，使难溶的金属矿物变成可溶性的硫酸盐形 式，因而很早就被广泛应用于金属的浸出与回收，特别适合于从低品位的矿石中 浸出稀有贵重金属。这种方法被称为“生物浸出法( b i o l e a c h i n g ) 冶金工艺”，具 第1 章绪论 有低成本，低能耗，无污染等特点，因而在能源曰益短缺的今天，受到了人们的 普遍重视【4 】0 白1 9 4 7 年c o l m e r 和h a n k l e 5 1 首次分离得到吖以来，丁| ，和z 的产酸特性被 人们发现，生物浸出法的原理也逐渐被人们所了解。许多学者对生物浸出法进行 了研究。据许多研究报道，玎和z r 能将多种还原性硫化合物氧化成为硫酸【6 7 】。 近年来，随着生物浸出法在工业中的应用同益广泛，这两种菌被逐渐应用到环境 污染治理的领域。 二十世纪六十到七十年代，有学者开始研究用z ，和z 去除煤、石油和天然 气中的有毒硫化合物( 主要是硫化物和二氧化硫) ，并取得了一定的效果。然而， 据一些研究报道，在脱硫过程中，当存在一定量的亚硫酸盐和硫化物时，将发生 一系列复杂的反应，生成多种化合物( 如多硫化物、硫代硫酸盐、连多硫酸盐等) 例，而玎和z f 并不能完全利用这些化合物，这使得还原性的有毒硫化物不能全 部有效地转化为无毒稳定的硫酸盐。实际上，在用z ，和z t 处理硫化矿物和去除 污泥中的重金属时，也有同样的问题出现【9 。10 1 。同时，随着处理对象的有机物含 量不同，生物浸出的处理效率呈现出很大的差异。 因此，只有全面、系统地分析z ，和z f 对不同硫化合物的代谢机理，科学评 价这两种菌对硫化合物的利用能力，研究和分析有机物对两种菌活性的影响，才 能提高生物浸出法的处理效率，有效地推动其在环境污染治理领域中的产业化应 用。 1 2 国内外研究现状与进展 1 2 1 氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌的生理特性 氧化业铁硫杆菌( t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s ，巧) ；是生物湿法冶金过程主要的 浸矿菌种。这种菌系短杆菌，很小，o 3 - - 0 5 x 1 0 - - 2 。毗m ，圆钝末瑞，以单个、 双个或几个成短链状存在。是一种化能自养菌，专性好氧，嗜酸性，广泛生活在 会属硫化矿和煤矿的酸性矿坑水中。最适生长温度2 5 - - 3 0 。c 。生长p h 在1 4 - - 6 0 2 第1 章绪论 之间，最适p h2 0 - - 2 5 。z ，以氧化亚铁、元素硫以及还原态的硫化合物等来获得 生命过程所需的能量【1 1 】，以空气中的二氧化碳为碳源，以氨或铵盐为氮源。有鞭 毛，能快速游动：革兰氏染色阴性。在9 k 固体培养基上呈红棕色菌落，近球杆 形【1 2 】。 氧化硫硫杆菌( t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s ，z f ) ：由w a k s m a n 和j o f f e 1 3 】首先分离 得到。短杆菌，0 5 x 1 0 2 吮m ，单生、对生或成短链。以硫单质、无机硫化物 为能源，因能迅速氧化硫单质而著称。生长温度2 - 4 0 c ，最适温度2 5 - - 3 5 c ， 生长p h 0 5 6 0 ，最适2 0 3 5 。在硫代硫酸盐固体培养基上的菌落极小( 一般 小于1 0 m m ) ，透明或白黄色，在延长培养时变清亮，边缘完整；在液体培养基 中均一浑浊，含硫培养液p h l 。格兰氏阴性，严格好氧，是专性自养极端嗜酸 性的化能无机营养菌【1 4 】，广泛分布于硫化矿床和酸性矿水及土壤中，在细菌浸矿 等多方面都有应用价值，但生长缓慢，对重金属如砷、汞、银等缺乏抗性。 1 2 2 氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌对硫化合物的利用 自二十世纪六十年代以来，许多学者对吖和z f 的生理特性进行了研究。根 据w i e c k o w s k i t “舯1 和k e l l y 7 】等的研究报道，z ，能利用硫酸亚铁、硫和还原性硫化 合物，t t 能利用硫代硫酸钠、连四硫酸钠和硫。许多研究表明，z f 利用单质硫 的能力比z ，强f 7 翔，但z f 不能利用硫酸亚铁。 w o n g 和h e n r y 1 8 】对z ，氧化硫酸亚铁的机理进行了详细的研究，指出玎能将 亚铁氧化成三价铁，三价铁会与硫酸根离子发生反应产生铁矾沉淀，同时产生硫 酸而引起p h 的下降： 4 f e s 0 4 + 0 2 + 2 h 2 s 0 4 2 f e 2 ( s 0 4 ) 3 + 2 h 2 0 ( 1 1 ) 6 f e “+ 4 s 0 4 2 + 1 2 h 2 0 2 h f e 3 ( s 0 4 ) 2 ( o h ) 6 + 5 h + ( 1 2 ) t e m p l e l l 9 埽口l e a h e n l 2 0 肄人研究发现z ，能将矿物中的硫化矿物氧化为硫酸和 硫酸盐。b r y n e r 等【2 1 2 2 】对z ，氧