關於硫酸還原菌的特性及運用

關鍵詞：硫酸還原菌 特性及運用  

硫酸鹽還原菌(ＳＲＢ)是一類形態各異、營養類型多樣、能利用硫酸鹽或者其他氧化態硫化物作為電子受體來異化有機物質的嚴格厭養菌。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的生活環境和條件

1.1 ＳＲＢ在環境中的分布

自然界中最常見的ＳＲＢ是嗜溫的革蘭氏陰性、不產芽孢的類型.在淡水及其他含鹽量較低的環境中，易分離到革蘭氏陽性、產芽孢的菌株。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可以存在於土壤、水稻田、海水、鹽水、自來水、溫泉水、地熱地區，油井和天然氣井,含硫沉積物,河底汙泥、汙水,綿羊瘤胃、動物腸道等。還可以從一些受汙染的環境中檢測到它

的存在,如厭氧的汙水處理廠廢物,被汙染的食品中。

1.2 基本環境因子

ＳＲＢ可以在-5～75℃條件下生存，並能很快適應新的溫度環境,。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的範圍內生存，最適ｐＨ值為7.0～7.8。鹽分：在一些高鹽的生態環境中，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是輕度嗜鹽菌（適宜鹽度範圍為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低於-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係

ＳＲＢ還原硫酸鹽主要有以下3個過程：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為代價將硫酸激活。所產生的磷酸腺苷硫酸（APS^2-）是一個適合得多的氧化劑，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。此反應的第二個產物焦磷酸經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個原子的鐵和不穩定硫。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物的三個連續的雙電子傳遞(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，其對鋅的敏感超過好氧菌,Ｃｄ對Ｚｎ的這種抑製作用有協同作用,可通過調節基質中的Ｃｌ、Ｃａ、磷酸鹽、Ｆｅ和Ｍｎ的濃度來降低Ｃｄ和Ｚｎ的毒性。但是Ｍｏ是一種強抑製劑,即使在大量的磷酸鹽存在的情況下,也會抑製硫酸鹽的還原。

2.2.2 Ｈ2Ｓ濃度 

Ｈ2Ｓ的濃度達到一定程度(16ｍｍｏｌ/ＬＨ2Ｓ),就會明顯抑製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製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,同化有機物質如乙酸鹽等,必須有ＣＯ2的存在和無機電子供體,所以依賴於ＳＲＢ提供的Ｈ2Ｓ。同樣，綠硫菌產生的硫酸鹽很快被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和綠硫菌的共養作用。硫循環中的共養關係不涉及紫硫菌,因為這類細菌的細胞內存貯硫元素,使硫不能被異養生物所利用。

3 在有機物代謝過程中ＳＲＢ與產甲烷菌的相互作用

在厭氧體係中有機物的礦化過程較為複雜,同時涉及到不同種群的微生物的相互作用。例如，在蛋白質、碳水化合物、木質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。經過厭氧發酵,生成揮發性脂肪酸,環境中如有足夠的硫酸鹽，ＳＲＢ就轉化硫酸鹽.如果沒有ＳＲＢ，乙酸鹽的累積會抑製下麵反應的進行。ＳＲＢ和產甲烷菌都存在於厭氧的生態係統中,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和產甲烷菌的共生作用完成的.事實上,在ＳＲＢ和產甲烷菌之間有三種關係可能發生：①共生:既存在於同一體係中的ＳＲＢ和產甲烷菌利用不同的電子供體.某些特定的底物，如甲胺，甲醇，隻可被產甲烷菌利用,即使在富含硫酸鹽的沉積物中也是如此.兩者之間不發生競爭；②協同作用:既ＳＲＢ和產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酵利用乳酸鹽和乙醇,但是在與耗氫的產甲烷菌混合培養時,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和產甲烷菌競爭同一種電子供體.在硫酸鹽缺乏或耗盡的生態係統中，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占優勢，產甲烷菌受到抑製，因為ＳＲＢ對底物氫和乙酸鹽的親和力要大於產甲烷菌。

4 ＳＲＢ在環境中起的一些反應

一旦ＳＲＢ開始在某個特定的環境中生長,環境的物理和化學性質就會發生改變,有時會很顯著.ＳＲＢ代謝利用硫酸鹽,所以環境中的首要變化就是硫酸鹽的減少或耗盡.由於Ｓ、ＨＳ與氫結合生成反應的終產物ＨＳ，使體係的氧化還原電位下降.Ｈ₂Ｓ的毒性可殺死周圍環境中的大多需氧生物。它的揮發使環境的ＰＨ趨於升高，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

由於ＳＲＢ代謝產生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反應產生的Ｈ2Ｓ還可以使一些金屬還原成低價態或元素態，如對Ｃｒ等的作用，可以將高毒的Ｃｒ轉化為低毒的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築物，尤其是管線的腐蝕半數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，造成巨大的經濟損失。所以該菌的腐蝕機製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：一是發生在厭氧地區，如粘土或水淹地區。二是金屬的腐蝕趨向於孔洞腐蝕,如鐵管的斷裂是由於局部的穿孔而不是整體的腐蝕。三是在腐蝕點的金屬結構趨向於石墨化，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站及鋼件周圍及腐蝕產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製還有待進一步深入研究。

5 ＳＲＢ的潛在應用

5.1 生物修複

由於所生成的金屬硫化物的溶解度較低(範圍為10-3～10-5ｇ/Ｌ),可以利用ＳＲＢ的這個性

質來處理被重金屬汙染的濕地、池塘以及廢水等,或者在被汙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集中處理,既利於環境的改良，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裏的鉛礦用此法處理,將形成的ＺｎＳ、ＣｄＳ等回收,效果較理想.在汞的生物修複方麵,脫硫弧菌能使汞轉化為硫化汞,使汞固定和轉化.根據這個性質可以修複被汞汙染的土壤、水體。環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.硫化物的濃度低於1.8ｍｇ/ｇ時，甲基汞的濃度隨硫化物的濃度增加而上升。大於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,嚴格控製厭氧條件，使氧化還原電位低於一定值,提供一定量的硫酸鹽。可以利於形成硫化汞,抑製甲基汞的形成.關於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,可以提高油產量.在石油的二次回收過程中,脫硫弧菌產生的粘液—一種胞外多糖,起著表麵活性劑的作用,有助於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個碳的長鏈脂肪族碳氫化合物.這項技術已取得了一定的經濟效益,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,如食品發酵工業，采礦業,造紙工業等產生的廢水中都含有大量的硫酸鹽.硫酸鹽本身會產生多種危害,並且會生產高毒性的Ｈ2Ｓ，對環境和人類造成危害.所以這類汙水在排入自然界之前必須經過處理。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，燃料燃燒產生ＳＯ2是空氣汙染的一個重要來源，因此，去除燃料中的硫有著重要的環境學意義。脫硫弧菌能利用礦物質和前處理的汙水汙泥將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特性來改善我們的環境，研究開發以硫酸還原菌為基質的新工藝處理廢水、廢物，造福人類

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