關(guān)于硫酸還原菌的特性及運用

關(guān)鍵詞：硫酸還原菌 特性及運用  

硫酸鹽還原菌(ＳＲＢ)是一類(lèi)形態(tài)各異、營(yíng)養類(lèi)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(lái)異化有機物質(zhì)的嚴格厭養菌。常見(jiàn)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(lái)愈得到人們的關(guān)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(jiàn)的ＳＲＢ是嗜溫的革蘭氏陰性、不產(chǎn)芽孢的類(lèi)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(yáng)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(lái)水、溫泉水、地熱地區，油井和天然氣井,含硫沉積物,河底污泥、污水,綿羊瘤胃、動(dòng)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(chǎng)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(cháng)，具有芽孢的種可以耐受80℃的高溫；在ｐＨ為5～9.5的范圍內生存，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(shí)驗室中分離到的嗜鹽菌多數是輕度嗜鹽菌（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(cháng)要求Ｅｈ低于-150ｍＶ。

1.3 ＳＲＢ生長(cháng)所需的碳源、氮源

碳源：ＳＲＢ的不同菌屬生長(cháng)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(píng)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(lèi)，如乙醇，丙醇等；氮源：銨鹽是大多ＳＲＢ生長(cháng)所需的氮源。據一些報道，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，少數菌種能通過(guò)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(guò)程及所涉及的酶系

ＳＲＢ還原硫酸鹽主要有以下3個(gè)過(guò)程：①因為ＳＯ₄^2－/ＳＯ₃^2－對的氧化還原電位太低而使硫酸不能直接接受電子。在硫酸腺苷轉移酶的作用下，以ATP為代價(jià)將硫酸激活。所產(chǎn)生的磷酸腺苷硫酸（APS^2-）是一個(gè)適合得多的氧化劑，因為APS^2-/AMP^2-+SO₃^2-對的氧化還原電位比ＳＯ₄^2－/ＳＯ₃^2－對的高出約420ｍＶ。此反應的第二個(gè)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+ SO₃^2-→APS^2--+ＰＰｉ)。②腺苷酰硫酸還原酶(APS還原酶)催化APS^2-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(gè)原子的鐵和不穩定硫。③亞硫酸鹽的進(jìn)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(gè)原子的鐵和不穩定硫及二分子Siroheam (一種修飾過(guò)的原血紅素)或其類(lèi)似物。亞硫酸還原為硫化物可按以下兩種方式進(jìn)行:由亞硫酸還原酶催化的協(xié)調六電子反應(SO₃^2-+6ｅ^-+6Ｈ+→Ｓ^2-+3Ｈ₂Ｏ)和以三硫酸(Ｓ₃O₆^2-)和硫代硫酸為中間產(chǎn)物的三個(gè)連續的雙電子傳遞(3SO₃^2-→Ｓ₃O₆^2-→Ｓ₂Ｏ₃^2-→Ｓ^2-)。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(guò)好氧菌,Ｃｄ對Ｚｎ的這種抑制作用有協(xié)同作用,可通過(guò)調節基質(zhì)中的Ｃｌ、Ｃａ、磷酸鹽、Ｆｅ和Ｍｎ的濃度來(lái)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(huì )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(huì )明顯抑制ＳＲＢ的生長(cháng)。

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(cháng)和轉化溫度為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(cháng)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(wú)機電子供體,所以依賴(lài)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(shí)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和綠硫菌的共養作用。硫循環(huán)中的共養關(guān)系不涉及紫硫菌,因為這類(lèi)細菌的細胞內存貯硫元素,使硫不能被異養生物所利用。

3 在有機物代謝過(guò)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(guò)程較為復雜,同時(shí)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(guò)程中,首先水解為較小分子的氨基酸、長(cháng)鏈脂肪酸等物質(zhì)。經(jīng)過(guò)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就轉化硫酸鹽.如果沒(méi)有ＳＲＢ，乙酸鹽的累積會(huì )抑制下面反應的進(jìn)行。ＳＲＢ和產(chǎn)甲烷菌都存在于厭氧的生態(tài)系統中,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(shí)上,在ＳＲＢ和產(chǎn)甲烷菌之間有三種關(guān)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)甲烷菌混合培養時(shí),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(gè)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(guò)程中,ＳＲＢ的氫化酶起著(zhù)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(kāi)始在某個(gè)特定的環(huán)境中生長(cháng),環(huán)境的物理和化學(xué)性質(zhì)就會(huì )發(fā)生改變,有時(shí)會(huì )很顯著(zhù).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?chē)�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結合生成硫化物.，Ｈ₂Ｓ與鐵結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(jià)態(tài)或元素態(tài)，如對Ｃｒ等的作用，可以將高毒的Ｃｒ轉化為低毒的Ｃｒ，是一個(gè)解毒過(guò)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筑物，尤其是管線(xiàn)的腐蝕半數以上是由該菌參與或引起的，這個(gè)問(wèn)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(lái)的主要課題之一。硫酸鹽還原菌造成的金屬腐蝕有三個(gè)特點(diǎn)：一是發(fā)生在厭氧地區，如粘土或水淹地區。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(diǎn)的金屬結構趨向于石墨化，金屬離子被移走,管道保持其碳架結構不變。在一些國家的土壤腐蝕調查中發(fā)現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?chē)�及腐蝕產(chǎn)物中的硫酸鹽還原菌進(jìn)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(jìn)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(gè)性

質(zhì)來(lái)處理被重金屬污染的濕地、池塘以及廢水等,或者在被污染的區域人為構造濕地,將反應生成的重金屬硫化物收集起來(lái)集中處理,既利于環(huán)境的改良，又可以回收貴重金屬.據報道,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,脫硫弧菌能使汞轉化為硫化汞,使汞固定和轉化.根據這個(gè)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(gè)至關(guān)重要的因素.硫化物的濃度低于1.8ｍｇ/ｇ時(shí)，甲基汞的濃度隨硫化物的濃度增加而上升。大于1.8ｍｇ/ｇ時(shí)，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(guò)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(huì )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�？梢岳�于形成硫化汞,抑制甲基汞的形成.關(guān)于ＳＲＢ是否能使其它重金屬甲基化目前尚無(wú)定論。

5.2 煉油技術(shù)

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(guò)程中,脫硫弧菌產(chǎn)生的粘液—一種胞外多糖,起著(zhù)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。據報導,脫硫弧菌可合成14～25個(gè)碳的長(cháng)鏈脂肪族碳氫化合物.這項技術(shù)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(huì )產(chǎn)生多種危害,并且會(huì )生產(chǎn)高毒性的Ｈ2Ｓ，對環(huán)境和人類(lèi)造成危害.所以這類(lèi)污水在排入自然界之前必須經(jīng)過(guò)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(gè)重要來(lái)源，因此，去除燃料中的硫有著(zhù)重要的環(huán)境學(xué)意義。脫硫弧菌能利用礦物質(zhì)和前處理的污水污泥將ＳＯ²轉化成Ｈ2Ｓ。

6 總結

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(lái)改善我們的環(huán)境，研究開(kāi)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(lèi)

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