硫化細菌的特征及其應(yīng)用進展

1、硫化細菌的特征及其應(yīng)用進展魏偉（蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，蘭州100081）摘要：硫化細菌的種類繁多代謝方式多樣，應(yīng)用在工業(yè)及環(huán)境保護方面有著成本低無二次污染的特點。目前，硫化細菌已在生物浸礦、污水處理、煙氣脫硫、污泥中重金屬的去除、煤的脫硫技術(shù)等諸多方面得到廣泛應(yīng)用。本文綜述了硫化細菌的特征及其應(yīng)用進展。關(guān)鍵詞：硫化細菌；特征；應(yīng)用The characteristics and application progress of sulphur bacteriaAbstract：Sulfur bacteria has important economic and social signif

2、icance in the field of industry and environmental protection. There are many types of sulfide bacteria and their metabolism are miscellaneous , the application of these bacteria in the industry and environmental protection has the characteristics of low cost without secondary pollution. At present,

3、sulfide bacteria has been widely used in many aspects, Like biological leaching mining, sewage treatment and flue gas desulfurization, removal of heavy metals in sludge, etc. The paper mainly summarizes the characteristics and applications of sulphur bacteria.Keywords：Sulfur bacteria; Characteristic

4、; application1 前言硫化細菌是微生物界較為常見的一類原核生物菌屬，廣泛存在于土壤、水、含硫礦質(zhì)中。它們可以將低價態(tài)硫轉(zhuǎn)化為高價態(tài)的硫在自然界硫的循環(huán)中扮演很重要的角色。硫化細菌在工業(yè)和環(huán)保領(lǐng)域具有重要的經(jīng)濟和社會意義。近年來，隨著對硫化細菌不斷深入研究，硫化細菌在工業(yè)和環(huán)保上的應(yīng)用越來越廣泛。作為浸礦的主要菌屬，它們最早應(yīng)用于在低品味金屬礦的生產(chǎn)。另外，硫化細菌在高濃度有機廢水的處理、煙氣脫硫、污泥中重金屬的去除等等方面都得到廣泛應(yīng)用。針對硫化細菌的還在不斷地加強加深以期探索出更多有益于人類的工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)保應(yīng)用。2 硫化細菌的特征2.1 硫化細菌的分類及生物學(xué)特性硫化細菌是微生物

5、界較為常見的一類可將低價硫氧化成高價硫的原核生物菌屬，它們可以分為兩大類：無色硫細菌和有色硫細菌。無色硫細菌中包括硫桿菌屬（Thiobacillus）它們是土壤和水中最重要的化能自養(yǎng)細菌能夠氧化硫化氫、黃鐵礦、元素硫等形成硫酸，從氧化過程中獲取能量。常見的有氧化硫硫桿菌（Tthiooxidans）和氧化亞鐵硫桿菌（Tferrooxidans），排硫硫桿菌（Tthioparus）等。無色硫細菌還包括絲狀硫磺細菌它們屬化能自養(yǎng)菌，有的也能營腐生生活。生存于含硫的水中，能將HS氧化為元素硫。主要有兩個屬，即貝氏硫菌屬（Beggiatoa）和發(fā)硫菌屬（Thiothrix），前者絲狀體游離，后者絲狀體通

6、常固著于固體基質(zhì)上。有色硫細菌主要指含有光合色素的利用光能營養(yǎng)的硫細菌，它們從光中獲得能量，依靠體內(nèi)含有特殊的光合色素，進行光合作用同化CO。有色硫桿菌包括光能自養(yǎng)型菌（這類光合細菌在進行光合作用時，能以元素硫和硫化物作為同化CO的電子供體）常見的如著色菌科（Chromatiaceae）和綠菌科（Chlorobiaceae）中的有關(guān)種（俗稱紫硫菌和綠硫菌）。和光能異養(yǎng)型，該類光合細菌主要以簡單的脂肪酸、醇等作為碳源或電子供體，也可以硫化物或硫代硫酸鹽（但不能以元素硫）作為電子供體。能進行光照厭氧或黑暗微好氧呼吸。常見種類大多為紅螺菌科（Rhodospirillaceae），如球形紅桿菌（Rho

7、dobacter spheroides），沼澤紅桿（Rpalustris）等。2.2 硫化細菌參與自然界中硫元素循環(huán)硫在自然界中主要以元素硫，硫化氫，硫酸鹽和有機硫化物4種形態(tài)存在。自然界硫的循環(huán)體系中，大部分硫化細菌均以氧為電子受體氧化不同低價態(tài)的硫的化合物，從中獲得能量。硫桿菌屬參與的硫氧化主要過程為：2HS+O2HO+2S+能量 2FeS+7O+2HO2FeSO+2HSO+能量 2S+3O+2HO2HSO+能量 2SO+3O+4HO4HSO其中脫氮硫桿菌不僅可以參與硫的循環(huán)，在厭氧條件下還可以實現(xiàn)氮的反硝化作用其氧化HS的過程為：5HS+8NO+3H5SO+4N+4HO光合硫化細菌屬進行

8、光合作用時以CO為電子受體，氧化低價態(tài)的硫元素。主要反應(yīng)過程為：CO+2HSCHO+2S+HO 2CO+HS+2HOCHO+HSO 3 硫化細菌的應(yīng)用3.1 硫化細菌在微生物浸礦中的應(yīng)用 近幾十年來，隨著采礦業(yè)的不斷發(fā)展，人們對礦產(chǎn)原料的需求量也在逐年增大，然而高品位富礦卻日益匱乏，對低品位、細分散、難處理礦石和以前廢棄的礦渣的利用顯得尤為重要。生物浸礦的處理工藝相較于傳統(tǒng)工藝而言具有簡單、易操作、能耗低、成本低、無二次污染等特點。目前，生物浸礦技術(shù)已在磷、銅、鈷、鈾、金等很多金屬礦的提取方面獲得成功應(yīng)用。龔文琪等從安徽某煤礦的酸性礦坑水中分離出能有效浸出低品位磷礦的氧化硫硫桿菌菌株,對其形態(tài)

9、特征和培養(yǎng)特性進行了初步的研究,并通過初步試驗浸磷率可達到48.41%。周吉奎利用從硫化礦山分離得到氧化亞鐵硫桿菌GZY-1菌株,進行了廢棄線路板粉末中金屬銅的浸出實驗,并對浸出機理進行了分析,同時對浸出體系的pH值、氧化還原電位和細菌數(shù)量的變化進行了研究.結(jié)果表明:細菌具有將Fe2+不間斷地氧化成為Fe的生物學(xué)特性;在浸出溫度30及pH值1.32、液固比101、攪拌速率500r/min的條件下,經(jīng)48h浸出,金屬銅的浸出率達到95.16%;李廣悅等采用廣東某礦低品位鈾礦石,在相同的培養(yǎng)條件下,研究了氧化亞鐵硫桿菌與氧化硫硫桿菌對U4+的浸出作用。研究結(jié)果表明,在氧化亞鐵硫桿菌作用下鈾的浸出率

10、比在氧化硫硫桿菌作用下高21.34%;氧化亞鐵硫桿菌為UO2的氧化提供了高效氧化劑,而氧化硫硫桿菌則顯著降低了浸礦體系的pH值,對UO22+的絡(luò)合析出非常有利。并得出氧化亞鐵硫桿菌與氧化硫硫桿菌對U4+的浸出具有互補作用的結(jié)論。3.2 硫化細菌在廢水處理中的應(yīng)用在紡織業(yè)、醫(yī)藥業(yè)、農(nóng)藥生產(chǎn)、石油化工業(yè)等行業(yè)中都會存在含硫化物廢水的排放。然而這些硫化物對環(huán)境的危害有時會很大，尤其是硫化氫的排放，硫化氫氫毒性較大,如果直接排放入河流會對水生生物造成極大危害。此外,當(dāng)含有硫化物的廢水排放到水體中后,會與水體中的鐵類金屬反應(yīng),使水體發(fā)臭發(fā)黑,因此含硫廢水的處理顯得尤為關(guān)鍵。廢水中硫化物去除的方法有很多。

11、陶寅綜述介紹了回收利用法、汽提法、混凝沉淀法、氧化法、生化法和樹脂法等六種去除廢水中硫化物技術(shù)的特點、原理以及局限性。其中的生化法主要就是利用硫化細菌的作用以期達到處理含硫廢水的目的。左劍惡、袁琳等直接以硫酸鹽還原相出水作為進水,采用升流式好抵生物膜反應(yīng)器在室溫(18-22) 條件下, 研究了利用好氧無色硫細菌去除水中硫化物的可行性。試驗表明, 當(dāng)硫化物容積負荷達到12kg/() (以HS計,下同) , 水力停留時問為22min, pH值為7- 8、溶解氧濃度為5.0-5.5mg/L時, 硫化物的去除率可達90%以上，被去除的硫化物幾乎全部轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫,同時有機物的去除率約為10%。楊秀山利用

12、厭氧-缺氧-好氧處理城市廢水的中試規(guī)模系統(tǒng)，對其缺氧相中的脫氮硫桿菌進行了研究。結(jié)果表明, 脫氮硫桿菌的最高脫氮作用率、氧化NaS 的最高濃度、S的最高污泥負荷率和污泥中脫氮硫桿菌的最高含量(MPN) 分別為3.6mg- NO/gVSS·h 、1750mg/L、25mg-S/g VSS·d 和1.1x10/gVSS。脫氮硫桿菌在氧化二價硫成硫酸并還原硝酸為氮氣的過程中起著相當(dāng)有意義的作用。3.3 硫化細菌在煙氣脫硫中的應(yīng)用煤炭燃燒生成的SO隨煙氣進入大氣, 可能會形成酸雨, 對人類生存環(huán)境產(chǎn)生極大的危害。而目前我國的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主, 占一次能源的75%,并且隨著經(jīng)濟的增

13、長, 在今后若干年內(nèi)還有上升的趨勢。目前可以進入工業(yè)化的技術(shù)多為物理和化學(xué)方法, 與這些方法相比, 生物法脫硫去除率高、成本低、能耗少,有很廣闊的應(yīng)用前景。王安，張永奎等在實驗室條件下, 選用氧化亞鐵硫桿菌進行了煙氣脫硫研究, 實驗表明, 在適宜的液氣比( 12.5 L/m以上)、二氧化硫體積分數(shù)(1 0005000)×10和三價鐵離子質(zhì)量濃度( 0.6 g/L 以上) 下, 該菌的脫硫率達到98%。宣群等將分離得到的一株氧化亞鐵硫桿菌用海藻酸鈉進行固定化包埋試驗, 用上柱通氣法測定其凈化氣相SO2 的能力, 其氧化降解SO的效率最高達97.01%, 顯示了利用固定化細菌凈化低濃度S

14、O煙氣的可行性。王勇川等以電廠粉煤灰治理煙氣中的SO, 利用粉煤灰中的堿性氧化物進行初級脫硫, 同時使用脫硫細菌在適宜條件下的迅速繁殖, 將粉煤灰水中的不溶性FeO離子化, 把微生物脫硫和Fe的催化作用結(jié)合起來, 在實驗室內(nèi)的模擬裝置上, 脫硫效率能達到80%以上。3.4 硫化細菌去除污泥中的重金屬 污泥處理中重金屬的去除一直是人們關(guān)注的重點。采用生物法去除污泥中的重金屬有成本低，污染小等特點。李淑更等以廣州市城市污泥作為培養(yǎng)介質(zhì),利用以硫代硫酸鈉作為生長基質(zhì)進行生命活動的氧化亞鐵硫桿菌(T.f)和氧化硫硫桿菌(T.t)來淋濾去除污泥中的重金屬,研究了不同底物含量及不同馴化污泥接菌量對重金屬去

15、除效果的影響。結(jié)果表明,在無馴化污泥接種的條件下,最佳基質(zhì)投配率為10g/L;馴化污泥接種培養(yǎng)可以縮短污泥的酸化周期,并且在相同投配比條件下,接種培養(yǎng)較不接種培養(yǎng)的去除效果明顯提高。馴化污泥接種量為10%、投配比為7g/L時,污泥中主要超標(biāo)元素Cu、Zn、Cd和Ni的去除率分別達到67.2%,88.9%,82.4%和68.4%。同時,處理后污泥中的重金屬含量可滿足污泥農(nóng)用的國家標(biāo)準(zhǔn)。劉賀琴等也通過通過設(shè)計淋濾實驗, 分析了不同淋濾條件下污泥中重金屬的去除率, 并應(yīng)用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對其進行評價. 研究發(fā)現(xiàn), Cu、Pb、Zn、Cr 和Ni的浸出取決于硫粉和硫酸濃度, 經(jīng)過14

16、d的淋濾實驗, 加硫粉處理后Cu、Pb、Zn、Cr 和Ni 的去除率可分別達到96.8%, 53.2%, 94.2%, 97.5%, 103.0%。沈鐳等利用由含硫溫泉采集到的泉水, 通過一系列培養(yǎng)、分離、純化得到的氧化亞鐵硫桿菌(T.f) 和氧化硫硫桿菌(T.t) 浸出污泥中的銅、鋅、錳、鉻、鎘。并實驗研究出各種重金屬浸出的最佳條件。4 小結(jié) 硫化細菌的研究在很多領(lǐng)域都是非常有意義的。隨著原生質(zhì)融合技術(shù)和基因工程技術(shù)的發(fā)展,硫化細菌在煤炭生物脫硫技術(shù)等領(lǐng)域也將得到廣泛的應(yīng)用。我國在硫化細菌的應(yīng)用研究大部分處于實驗室和半工業(yè)試驗水平, 未能實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。有關(guān)硫化細菌特征和應(yīng)用的研究還需要進一

17、步加強和深化。參考文獻：1 翁酥穎, 戚蓓靜, 史家梁, 等. 環(huán)境微生物學(xué)M . 北京: 科學(xué)出版社, 1985.2王瑋.一株脫氮硫桿菌的分離及特性研究J，工業(yè)微生物，1997,27（4）：30-33.3蔡靖，鄭平，吳東雷.自然界硫化物的生物氧化J,科技通報，2010，26（1）：78-79.4任南琪, 王愛杰, 李建政, 杜大仲.硫化物氧化及新工藝J，哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，35,（3）：265-268.5姜國芳,劉亞潔,樂長高.氧化硫硫桿菌的研究進展J,生物學(xué)雜志，2005,22（1）：10-13.6龔文琪,邊勛,陳偉,張曉崢,劉艷菊,劉俊,黃永炳,楊紅剛.氧化硫硫桿菌的培養(yǎng)特性及

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