贵阳市水库中硫酸盐还原菌及铁还原菌对甲基汞分布的影响
&&&&2016, Vol. 36 Issue (1): 84-91
何天容, 高钊, 罗光俊, 李婷, 尹德良, 朱玉珍, 安艳玲, 钱晓莉. 贵阳市水库中硫酸盐还原菌及铁还原菌对甲基汞分布的影响[J]. 环境科学学报, ): 84-91.
HE Tianrong, GAO Zhao, LUO Guangjun, LI Ting, YIN Deliang, ZHU Yuzhen, AN Yanling, QIAN Xiaoli. The impact of SRB and DIRB on methylmercury distributions in the reservoirs in Guiyang city[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, ): 84-91.
贵阳市水库中硫酸盐还原菌及铁还原菌对甲基汞分布的影响&&&&
, 高钊1, 罗光俊1, 李婷1, 尹德良1, 朱玉珍1, 安艳玲1, 钱晓莉2&&&&
1. 贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室, 贵阳 550003;2. 贵州大学资源与环境工程学院, 贵阳 550003
基金项目: 国家自然科学基金项目(No.);贵州省科技厅重点实验室建设项目
通讯作者（责任作者）: 何天容(1979-),女,副教授,E-mail:
摘要: 微生物在汞的甲基化过程中起着关键作用,但关于野外微生物活动对甲基汞分布的影响研究较为缺乏.通过对贵阳市不同污染类型水库中硫酸盐还原菌(SRB)、铁还原菌(DIRB)、甲基汞(MeHg)及相应水质参数分布规律研究,探讨了水库中SRB和DIRB活动在汞甲基化及其分布中所起的作用.在水库上覆水体中,SRB与甲基汞呈显著正相关关系(r=0.398, p&0.015, n=37),表明在上覆水体中,SRB为主要的汞甲基化细菌.在污染严重且差异明显的沉积物中,两种微生物对甲基汞分布的影响各不相同.在受矿山酸性废水污染的阿哈水库,由于其过高的SRB含量及其硫酸盐还原活动,导致夏季沉积物表层硫离子大量积累,严重抑制了汞的甲基化过程,使得沉积物孔隙水表层甲基汞明显低于其它两个水库,也低于阿哈水库上覆水体甲基汞含量.在红枫水库,沉积物表层适宜的SRB活动促进了汞的甲基化,硫酸盐还原物硫离子和孔隙水甲基汞存在显著相关性(r=0.674, p&0.001, n=31);在百花水库,由于沉积物曾受到严重汞污染,甲基汞峰值主要受到沉积物总汞的影响,和两种微生物活动及其产物均未表现出显著相关性.
硫酸盐还原菌&&&&铁还原菌&&&&甲基汞&&&&水库&&&&
The impact of SRB and DIRB on methylmercury distributions in the reservoirs in Guiyang city
HE Tianrong1 , GAO Zhao1, LUO Guangjun1, LI Ting1, YIN Deliang1, ZHU Yuzhen1, AN Yanling1, QIAN Xiaoli2&&&&
1. Key Laboratory of Karst Environment and Geohazard Prevention, Guizhou University, Guiyang 550003;2. The School of Resources and Environment Engineering, Guizhou University, Guiyang 550003
Abstract: Microorganisms play an important role in methylation of mercury (Hg), but few studies on the relationship between methylmercury (MeHg) and microorganisms in the field are available in China. In the present study, the distributions of sulfate reducing bacterium (SRB) and iron reducing bacterium (IRB) and their impact on methylmercury (MeHg) distribution are discussed in three reservoirs with different pollution sources in Guiyang city. Results show that the SRB biomass was positively correlated with dissolved MeHg in the overlying water of three reservoirs (r=0.398, p&0.015, n=37). This indicates that SRB activities play an important role in the methylation process of Hg in water. However, different impacts of microorganisms on MeHg distributions were observed in the sediments of three reservoirs. In Aha Reservoir, the high amount of sulfate and SRB resulted in high sulfate activities and sulfide accumulations in sediment, which inhibites biological methylation of Hg, resulting in lower MeHg in sediment than those in other two reservoirs. In Hongfeng Reservoir, the sulfide was correlated to MeHg in pore water (r=0.674, p&0.001, n=31), suggesting that the SRB in an optimal range promoted the methylation of Hg. In Baihua Reservoir, there is no relationship between MeHg and microbial biomass or related reducing products, as high mercury resulted in relatively high MeHg in the bottom of sediment.
Key words:
sulfate reducing bacterium&&&&Iron reducing bacterium&&&&methyl mercury&&&&reservoir&&&&
引言(Introduction)
20世纪80年代，科学家们发现在北美和北欧一些新建的水库以及一些远离汞污染源的湖泊中，某些鱼汞含量也远远超过了世界卫生组织建议的食用水产品汞含量标准(; )，这一现象引起了人们对水环境系统中汞的生物地球化学循环的极大关注，特别是汞的甲基化途径和机制问题.在汞甲基化的途径中，有生物作用和非生物作用，其中生物作用起主导作用.研究表明，在淡水体系中硫酸盐还原菌和铁还原菌均是重要的汞甲基化细菌(; ; )，尤其是硫酸盐还原菌一直被认为是淡水体系中主要的汞甲基化细菌(；)，因此硫循环在汞形态分布和汞甲基化过程中也起到至关重要的作用.认为SO42-在20~50 mg · L-1时，最适合SRB的甲基化活动.在近期的一些研究中，铁还原菌也被证实可进行数量可观的甲基化，尤其在富含铁的沉积物中(; ).虽然关于硫酸还原菌和铁还原菌在汞甲基化中的作用研究很多，但大多数结论都基于实验室研究(；))，对野外两种微生物和甲基汞间的关系研究较少.阿哈、百花和红枫水库为贵阳市饮用水源地，其受酸性矿山废水(阿哈水库)、含汞废水(百花水库)、生活污水(红枫水库)严重污染，造成这些水库某些理化特征差异明显，这些都将可能显著影响汞的甲基化过程.本研究旨在这些不同理化特征基础上弄清两种还原性微生物在这些水库中的分布及其对汞甲基化的影响，可为这些水库的治理提供一定科学依据，以保障贵阳市人民的用水安全.
样品采集与分析(Methodology)
采样点分布如图 1所示.阿哈水库和百花水库采样时间为2012年2月、6月、9月3个季节，红枫水库作为对比参照点仅在月份进行采样.水库水样从表层到底层每4 m取一个样，需测溶解态物质样品用0.45 μm滤膜(Millipore)现场过滤.水样用0.5%盐酸酸化存于经过超净技术处理过的硼硅玻璃瓶中，然后放在冰箱中冷藏避光保存.微生物测定水样用装有稀释液的厌氧管或装有培养液的测试瓶采集.沉积物柱采用SWB-1型便携式不扰动湖泊沉积物采样器采集().快速将沉积物样品在氮气条件下按1 cm或2 cm的间距分割，装入经过酸预处理的50 mL聚乙烯离心管中，盖紧并用parafilm®密封，放置在冷却箱中低温保存.提取孔隙水的样品，必须在48 h内按以下方法处理：首先在4 ℃恒温、转速3000 r · min-1的条件下离心30 min，然后用0.45 μm 滤膜(Millipore)过滤提取孔隙水.提取孔隙水后的沉积物样品用真空冷冻干燥仪(FD-3-85D-MP型冷冻干燥仪，-80 ℃)干燥，并研磨至150目以供分析.
图1(Fig.1)
水库采样点分布图
The locations of the sampling sites in the reservoirs
(1)沉积物及水库水样中SRB的测定 充氮条件下称取10 g沉积物于装有100 mL无菌无氧水的厌氧三角瓶中，摇床上振荡20 min后，用1 mL无菌注射器取1 mL上清液于KBC-SRB试剂瓶(北京华运安特科技有限责任公司)中进行梯度稀释，每个样品做6个梯度，3个平行.水库水样直接进行梯度稀释.将注射好的试剂瓶放入35 ℃培养箱中培养7 d.根据试剂瓶的阳性反应数(出现黑色沉淀或者铁钉变黑)查MPN计数表确定其MPN数()，再计算其实际含量(按沉积物湿重计).
(2)沉积物及水库水样中DIRB的测定 样品中DIRB采用滚管培养法测定().将沉积物悬浊液或水样在装有无菌无氧稀释液(NaCl 0.85 g，Na2HPO4 0.25 g，NaH2PO4 0.56 g，蒸馏水100 mL)的厌氧管中进行梯度稀释.用1 mL无菌注射器分别吸取不同稀释梯度的稀释液各0.5 mL于装有融化的柠檬酸铁培养基(柠檬酸铁3.3 g，NH4Cl 1 g，CaCl2 · 2H2O 0.07 g，MgSO4 · 7H2O
0.6 g，K2HPO4 · 3H2O 0.722 g，KH2PO4 0.25 g，葡萄糖10 g，琼脂粉10 g)厌氧管中，而后将其平放于盛有冰块的盘中迅速滚动至培养基在试管内壁均匀凝固，然后将厌氧管置于30
℃恒温培养箱中避光培养4 d，根据不同梯度厌氧管中长出的菌落数，计算其实际菌落数量(按沉积物湿重计).
(3)样品中甲基汞测定：沉积物甲基汞采用硝酸和硫酸铜溶液浸提，CH2Cl2萃取并结合水相乙基化、恒温气相色谱、冷原子荧光(GC-CVAFS)的方法测定沉积物中的微量甲基汞().水库水样及孔隙水甲基汞采用蒸馏乙基化结合GC-CVAFS法测定.
(4)其它参数测定：硫酸根采用离子色谱法测定.硫离子采用对氨基二甲基苯胺比色法测定.孔隙水中铁采用ICP-AES测定.水体中pH、温度(T)、溶解氧(DO)采用便携式水质参数仪测定.
结果(Results)
水库基本理化参数分布特征
3个水库采样点在采样期间水深变化范围为14~32 m，溶解氧含量范围为0.05~10.52 mg · L-1，pH范围为7.26~9.14.在春夏季，溶解氧和pH均有从上到下减少的趋势，表明3个水库都是季节缺氧分层型水库.百花、红枫和阿哈水库沉积物有机质含量范围分别为8.08%~13.04%、8.94%~11.99和8.05%和8.30%，均远高于同一流域的东风水库(2.20%~4.88%)，表明3个水库都曾受严重污染.各水库水体中硫酸根和硫离子含量见图 2和图 3.
图2(Fig.2)
贵阳市水库中硫酸根含量分布特征(注：纵坐标0 m为水-沉积物界面处，深度数值越小，表明水体或沉积物深度越大)
The distributions of sulfate in lake water and pore water in the reservoirs
图3(Fig.3)
贵阳市水库中硫离子含量分布特征(注：纵坐标0 m为水-沉积物界面处，深度数值越小，表明水体或沉积物深度越大)
The distributions of sulfide in lake water and pore water in the reservoirs
虽然现在阿哈水库流域内煤矿也全部关闭，但水库上覆水体中硫酸根含量明显高于其它两个水库(非参数独立样本检验，p&0.001)，表明采样期间阿哈水库仍然受到流域内酸性矿山废水的影响.在9月份，阿哈、百花和红枫水库湖水总汞含量分别为1.9~14.6 ng · L-1(平均值5.2 ng · L-1)、4.3~12.5 ng · L-1(平均值7.8 ng · L-1)、2.3~4.4 ng · L-1(平均值3.4 ng · L-1)；沉积物总汞含量分别为0.12~0.33 μg · g-1(平均值0.24 μg · g-1)、0.19~7.18 μg · g-1(平均值1.62 μg · g-1)、0.36~0.57 μg · g-1(平均值0.43 μg · g-1)，表明百花水库历史上曾遭受严重的汞污染.
水库硫酸盐还原菌及铁还原菌分布特征
2月份水体SRB含量非常低，仅在阿哈水库界面水处达到1100 cells · mL-1的最大值，其他位置基本检测不出.水库上覆水体中，阿哈水库SRB在任意月份都高于其他两个未受污染的水库.6月份，阿哈水库水体中SRB含量均大于2.5×104 cells · mL-1；9月份，阿哈水库水体中部SRB含量达到4.5×104 cells · mL-1；而在百花和红枫水库，上覆水中SRB最大值为2.5×104 cells · mL-1.各水库沉积物中硫酸还原菌季节分布特征见图 4().在沉积物中，SRB受温度(T)、溶解氧(DO)影响极大，夏秋季节表层沉积物SRB含量高于冬季500~1000倍左右.2月份所有水库中SRB仅为约950 cells · g-1左右，而6、9月份沉积物SRB含量约在104~105 cells · g-1左右.尽管阿哈水库由于矿山废水污染使得孔隙水硫酸根含量高于其他两个水库，但沉积物SRB仅在上部高于其他两个水库，在中下部没有明显差异.
图4(Fig.4)
贵阳市不同水库沉积物中SRB含量的季节变化特征()(注：0 cm为沉积物表层，深度数值越大，表明沉积物深度越大)
The seasonal population density of SRB in the sediment of the reservoirs
各水库上覆水体DIRB在同一季节相差不大.同时，水库中所呈现出的季节分布规律基本为：6月份>9月份>2月份；除2月份外，水库上覆水体中的DIRB数量明显低于SRB含量.各水库沉积物中铁还原菌季节分布特征见图 5(). 水库沉积物中DIRB由于受DO及T的影响，6月份与9月份DIRB含量远远高于2月份，同时由于其他电子供体(如O2)的影响，沉积物DIRB剖面峰值有随季节变化迁移到沉积物上部的趋势.在冬季，沉积物孔隙水中铁与DIRB分布一致；而在春夏季，由于受其他厌氧微生物生长影响(如硫酸盐还原菌)，其分布规律不相一致.曾受煤矿废水污染的阿哈水库，其DIRB峰值含量明显高于其他两个水库.
图5(Fig.5)
贵阳市不同水库沉积物中DIRB含量的季节特征()(注：0 cm为沉积物表层，深度数值越大，表明沉积物深度越大)
The seasonal population density of DIRB in the sediment of the reservoirs
水库中甲基汞的分布特征
在水库上覆水体及沉积物孔隙水中，阿哈溶解态甲基汞(DMeHg)的峰值随着厌氧-好氧界面的迁移从孔隙水顶部迁移到上覆水体底部.在2月份，孔隙水-水体剖面甲基汞峰值出现在沉积物表层或次表层；在6月份，甲基汞峰值上移到孔隙水表层或沉积物-水体界面处；而在9月份，甲基汞峰值上移至上覆底层水体中.同时，其表层孔隙水最大DMeHg值出现在2月份，与其他水库出现在6、9月份不同，并且明显低于其他两个水库孔隙水甲基汞(图 6).和阿哈水库相反，红枫水库孔隙水-水体剖面DMeHg峰值一直位于孔隙水上部.在百花水库，其水体中DMeHg严重超出了水体背景值，加之其孔隙水中下部出现异常峰值，说明百花水库受汞污染严重.
图6(Fig.6)
贵阳市各水库上覆水体及孔隙水中DMeHg季节分布(注：纵坐标0 m为水-沉积物界面处，深度数值越小，表明水体或沉积物深度越大)
The distributions of DMeHg in lake water and pore water in the reservoirs
水库中沉积物甲基汞分布趋势和孔隙水中甲基汞分布有明显的相关性(r=0.43，p&0.001)，主要表现为百花水库>红枫水库>阿哈水库(图 7).在阿哈水库，6、9月份表层沉积物甲基汞含量明显低于2月份，且明显低于其他两个水库，表明6、9月份阿哈水库表层沉积物汞甲基化受到明显抑制.百花水库由于受到汞的严重污染，其整体甲基汞含量都比较高，8月份平均值为8.02 ng · g-1，2月份为4.51 ng · g-1.红枫水库沉积物甲基汞在6月份表层达到了14.04 ng · g-1的最大值，其后随着深度的增加逐渐降低，在其中下部，6、9月份沉积物甲基汞分布差异不大.
图7(Fig.7)
贵阳市水库沉积物中甲基汞季节分布特征(注：纵坐标0 cm为沉积物表层，深度数值越大，表明沉积物深度越大)
The distributions of MeHg in the sediment in the reservoirs
讨论(Discussion)
上覆水体中SRB、DIRB和甲基汞分布的关系
由于3个水库污染基本得到控制，各水库水质都明显好转，且3个水库都处于同一流域，故各水库水体理化特征相差不大.运用SPSS软件对水体中DMeHg与微生物关系进行分析得出，水体中DMeHg与SRB呈显著正相关关系(r=0.398，p&0.05，n=37)，而水体DMeHg与DIRB不存在相关性.虽然淡水体系中硫酸盐还原菌和铁还原菌均被证明是重要的汞甲基化细菌(; ; )，但相对DIRB与其他微生物而言，SRB被证明是水环境中产生甲基汞的主要微生物(；).本研究中两种还原微生物和水体甲基汞的关系也表明，相对DIRB，SRB在这些水库汞的甲基化过程中扮演了更重要的角色.
沉积物中SRB、DIRB和甲基汞分布的关系
虽然历史上各种较重污染源已得到遏制，但历史上各种污染物大部分都以颗粒物形式沉降到沉积物中，使得沉积物中各种污染依然严重，如阿哈水库孔隙水硫酸根、铁锰及百花水库沉积物高汞污染依然存在.这些较大浓度的污染物在一定程度上影响着微生物的生长及其对汞的甲基化，使得沉积物中微生物与甲基汞的关系远远比水体中的关系复杂，没有在整体上表现出简单的相关性，而是在不同污染物积累的水库中表现出不同的影响特征： 在受酸性矿山废水污染的阿哈水库沉积物中，硫酸根、SRB、硫离子和沉积物及孔隙水甲基汞均没有显示简单的相关性.大量研究已表明，硫酸盐还原细菌在水体系统中是主要的汞甲基化细菌之一(; ).在一定范围内，甲基汞浓度会随硫酸盐还原活动的增加而增加(; )，但当硫酸盐还原活动太强烈，过量积累的硫离子(>10 μmol · L-1)会和二价汞结合生成不能被微生物利用的汞化合物，从而减少甲基汞的产生(；).可见硫酸盐还原活动对汞甲基化的影响不是简单的线性关系.
从阿哈水库甲基汞季节变化和垂向分布看，在春夏季SRB的还原活动严重抑制了沉积物表层汞的甲基化.在2月份，沉积物表层处于好氧状态，温度低，SRB含量低，SRB 活性受到抑制，使得硫酸根浓度明显高于其它两个季节；此时孔隙水-水体剖面甲基汞峰值位于沉积物表层或次表层.到了6、9 月份，SRB数值急剧增大，孔隙水中硫酸根显著降低，表明此时表层硫酸根还原非常强烈.强烈的硫酸盐还原活动使得硫离子大量积累，达到16~21 μmol · L-1.此时，沉积物中甲基汞峰值和表层孔隙水甲基汞峰值均明显低于2月份，且表层孔隙水中甲基汞明显低于中部，并低于上覆底层水体甲基汞，表明孔隙水-水体剖面甲基汞峰值迁移到上覆底层水体中.而在典型的孔隙水甲基汞剖面中，甲基汞通常位于表层几cm，且通常为春夏季大于冬季，也通常高于上覆水体甲基汞(e.g. ；; ).同时，6，9月份阿哈水库沉积物和孔隙水表层甲基汞均低于红枫水库，表明在6，9月份，阿哈水库过量积累的硫离子(16~21 μmol · L-1)明显抑制了沉积物表层汞的甲基化.而在阿哈湖上覆水体中，虽然也发生了强烈的硫酸盐还原，但底层硫离子多在10 μmol · L-1左右，没有对甲基化造成抑制，适宜的硫酸盐还原活动正好促进了汞的甲基化，使得在孔隙水-水体剖面中，甲基汞峰值从沉积物表层迁移到上覆底层水体中.可见，在受到高硫酸盐污染的水库中，SBR活动很大程度上影响着水‐沉积物界面甲基汞的分布.而且，在这种高硫酸盐污染的水库中，汞的甲基化和硫酸盐的还原程度并不是简单的线性相关性，这和的研究一致.虽然阿哈水库沉积物DIRB和沉积物及孔隙水甲基汞没有表现出明显的相关性，但从DIRB和甲基汞分布规律可看出，除阿哈大坝9 月份外，其它铁还原菌峰值都分布在10 cm左右，也就是沉积物柱中部，这和6、9 月份阿哈水库大坝和长滩孔隙水甲基汞分布规律一致，表明铁还原菌活动对沉积物中下部汞的甲基化有一定的促进作用.
在红枫水库，各季节硫酸根含量均低于阿哈水库，表层沉积物中的SRB数量也明显低于阿哈水库.从春季明显降低的硫酸根可以看出，红枫水库春季沉积物中也发生了明显的硫酸盐还原，但其产生的硫离子大多低于10 μmol · L-1，处于对汞甲基化产生抑制的临界点，处于最有利于汞甲基化的适宜范围，使得水体-孔隙水剖面中甲基汞峰值出现在沉积物表层，且明显高于同季节的阿哈水库.虽然9月份红枫湖孔隙水中也出现了大量的硫离子，但并没有观察到汞甲基化的抑制现象，这可能是由于在高含量的硫离子出现以前，就已经形成了高含量的甲基汞.同时，在红枫水库，硫酸盐还原菌的主要产物硫离子与其孔隙水甲基汞表现出了显著正相关关系(r=0.674，p&0.001，n=31)，此结果也说明，在硫酸盐含量较低的红枫水库，SRB的还原活动对沉积物汞的甲基化起强烈的促进作用.另一方面，在红枫水库，由于其硫酸盐含量低于阿哈水库，其SRB 活动不如阿哈水库强烈，SRB 对DIRB 生长的抑制作用较小或不受抑制()，通过相关性分析可知，DIRB与沉积物甲基汞表现出了显著正相关性(r=0.562，p&0.05，n=14)，说明DIRB 对汞甲基化的形成也有一定的促进作用.
百花水库沉积物中甲基汞与所研究的两种还原性微生物，孔隙水中甲基汞与总铁/硫离子均不存在显著相关性.在百花水库，其沉积物中总甲基汞和DMeHg峰值除了出现在表层，还出现在沉积物中下部，这与红枫水库分布在表层或次表层完全不同.虽然在沉积物表层也出现了不连续的硫离子高值(>10 μmol · L-1)，但在孔隙水表层仍然检测到了明显高于其它两个水库的甲基汞峰值，同时在上覆底层水体中甲基汞也远大于其它两个水库，这可能和百花水库曾受贵州水晶厂严重汞污染有关，其较高的底物活性汞为汞甲基化提供了充足的原料.
结论(Conclusions)
硫酸还原菌和铁还原菌均是汞的甲基化细菌.阿哈、百花和红枫水库都位于贵阳市喀斯特地区，其pH等基本理化特征相似，但由于这些水库受酸性矿山废水(阿哈水库)、含汞废水(百花水库)、生活污水(红枫水库)污染严重，造成这些水库某些理化特征差异明显，这些都将可能显著影响汞的甲基化过程.本研究探讨了两种还原性微生物在这些水库中的分布及其对汞甲基化的影响，得出以下主要结论.
1)在上覆水体中，SRB为主要的汞甲基化细菌，而在污染严重且差异明显的沉积物中，两种微生物对甲基汞的分布影响各不相同.
2)在受矿山酸性废水污染的阿哈水库，由于其过高的硫酸根及其硫酸盐还原活动，导致夏季沉积物表层硫离子大量积累，严重抑制了汞的甲基化过程.
3)在红枫水库，适宜的SRB活动促进了汞的甲基化，同时铁还原菌对汞甲基化的形成也有一定的促进作用.
4)在百花水库，由于沉积物曾受到严重汞污染，甲基汞峰值主要受到沉积物总汞的影响，和两种微生物活动均未表现出显著相关性.
Benoit J M, Gilmour C C, Mason R P. 1999. Sulfide controls on mercury speciation and bioavailability to methylating bacteria in sediment pore waters[J].
Driscoll C T, Yan C, Schofield C L, et al. 1994. The mercury cycle and fish in the Adirondack Lakes[J].
Fleming E J, Mack E E, Green P G, et al. 2006. Mercury methylation from unexpected sources:molybdate-inhibited freshwater sediments and an iron-reducing bacterium[J].
Gilmour C C, Podar M, Bullock A L, et al. 2013. Mercury Methylation by Novel Microorganisms from New Environments[J].
Gilmour C C, Henry E A. 1991. Mercury methylation in aquatic systems affected by acid deposition[J].
Gill G A, Bloom N S, Cappellino S, et al. 1999. Sediment-water fluxes of mercury in Lavaca Bay, Texas[J].
Guédron S, Huguet L, Vignati D A L, et al. 2012. Tidal cycling of mercury and methylmercury between sediments and water column in the Venice Lagoon (Italy)[J].
Hammerschmidt C R, Fitzgerald W F, Balcom P H, et al. 2008. Organic matter and sulfide inhibit methylmercury production in sediments of New York/New Jersey Harbor[J].
Hines N A, Brezonik P L, Engstrom D R. 2004. Sediment and porewater profiles and fluxes of mercury and methylmercury in a small seepage lake in northern Minnesota[J].
何天容,冯新斌,戴前进,等. 2004.萃取-乙基化结合GC-CVAFS法测定沉积物及土壤中的甲基汞[J].
Kerin E J, Glimour C C, Roden E. 2006. Mercury methylation by dissimilatory iron reducing bacteria[J].
罗光俊,何天容,安艳玲. 2014.贵阳市"两湖一库"不同季节硫酸盐还原菌分布变化[J].
罗光俊,何天容,尹德良,等. 2014.贵阳市湖泊沉积物中铁还原菌的季节分布[J].
Mack E E. 1998. Sulfate reduction and mercury methylation potential in the sediments of Clear Lake (CA)[D]. Ph.D. thesis. University of California, Davis
Shao D, Kang Y, Wu S, et al. 2012. Effects of sulfate reducing bacteria and sulfate concentrations on mercury methylation in freshwater sediments[J].
Schaefer J K, Morel F M M. 2009. High methylation rates of mercury bound to cysteine by Geobacter sulfurreducens[J].
PorvariU P.1998. Development of fish mercury concentrations in Finnish reservoirs from 1979 to 1994[J].
王雨春,黄荣贵,万国江. 1998. SWB-1型便携式沉积物-界面水取样器的研制[J].
王摇静,曲摇东. 2008.硫酸盐作为共存电子受体对微生物Fe还原过程的影响[J].您的位置： &
环境对硫酸盐还原菌生长的影响
优质期刊推荐硫酸盐还原菌及其在废水厌氧治理中的应用
硫酸盐还原菌及其在废水厌氧治理中的应用
硫酸盐还原菌及其在废水厌氧治理中的应用
&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&
&&& 随着社会经济的高速发展，我国的工业化程度得到极大提高，但伴随着经济发展而出现的环境问题也日益严重。目前城市生活污水处理已在工艺上取得成熟技术并得到应用，但工业废水特别是含高浓度硫酸盐和重金属离子的废水处理仍是令人困惑的技术难题。但关于硫酸盐还原菌(SRB)的研究有望解决这一类废水的处理问题。硫酸盐还原菌(SRB)是一类厌氧异养细菌，其生命力很强，广泛存在于土壤、河水、海水等由微生物分解作用造成的厌氧水陆环境中。SRB是一类形态、营养多样化的细菌，以有机物作为生化代谢的能量来源和电子供体，通过异化作用以硫酸盐为电子受体将其还原。利用这一特性，将其广泛应用于含硫酸盐的废水和含重金属离子废水等方面的处理。SRB处理废水作为一项新技术极具潜力。本文论述了SRB处理废水机理及其生化作用的影响因子，对其在不同种类废水处理中的研究现状进行综述。 1硫酸盐还原菌(SRB)处理废水的机 理及厌氧环境中的影响因子 1.1硫酸盐还原菌(SRB)的分类 SRB是一类厌氧菌，革兰氏染色成阴性。目前已知的SRB有40多种，分类也较为复杂。通常根据其对不同有机物的利用性能，将SRB分为8个属[1](见表1)。 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
& 表1硫酸盐还原菌(SRB)的分类
1.2硫酸盐还原菌(SRB)处理废水的机理 对于硫酸盐还原菌(SRB)的代谢机理已有很多报道，但对其合成代谢过程的研究尚不明确，对其分解代谢过程已做过较多研究，现就SRB处理废水的机理简单概括如下: 1.2.1SRB对SO42-的还原机理 关于SRB还原SO42-的机理，具体分为三个阶段; (1)分解阶段。在厌氧状态下，有机物通过“基质水平磷酸化”产生ATP和高能电子; (2)电子转移阶段。在(1)阶段产生的高能电子通过SRB特有的电子传递链(如黄素蛋白、细胞色素C等)逐级传递，同时产生大量的ATP。 (3)氧化阶段。此阶段中电子转移给氧化态的硫元素(SO42-)，将其还原为S2-，产生H2S，同时消耗ATP。 SRB除了以硫酸盐为电子受体进行还原反应外，还需要有机物为其提供能量并作为生化反应的电子供体。 1.2.2SRB处理含重金属离子的机理 (1)因为重金属离子的硫化物在水中的溶度积极小，所以在SO42-还原时产生的H2S与重金属离子反应生成固体硫化物沉淀而得以去除; (2)SRB还原SO42-时会产生碱度，使被处理的废水pH值提高，而许多重金属离子的氢氧化物溶解度很小，故有利于重金属离子形成氢氧化物沉淀去除; (3)SRB代谢过程中分解有机物会生成CO2，部分重金属可以转化成不溶性的碳酸盐而去除; (4)利用SRB菌体细胞的直接吸附作用，将重金属离子吸附在胞外聚合物上同污泥一同沉淀，从而从水中去除; (5)SRB的新陈代谢过程可以通过主动吸收、转化并最终积存在细胞原生质内，以此清除重金属的毒害。微生物细胞对重金属的毒害有一定限度的忍耐，超过某一限度可能会抑制SRB的生长代谢[2]。 1.3废水厌氧处理中对SRB的影响因子 1.3.1pH值 pH是影响SRB代谢功能的重要生态因子，SRB能适应的pH值范围很窄，过高或过低的pH均会抑制SRB的生长及代谢。pH对SRB代谢功能的影响主要表现在:①pH引起细胞膜内电荷的变化，进而影响SRB对底物的吸收;②影响SRB代谢过程中各种酶的活性和稳定性，会改变底物的可给性与毒物的毒性;③改变细胞内的pH，影响ATP的合成和许多生化反应的进行。 SRB一般适合在中性偏碱的环境下生长，不同研究者对于最佳pH的研究结果不同。有研究表明，SRB在pH为6.5~7.5范围内生长良好，最佳pH是7.5。SRB不能在pH&5.5，pH&8.0的环境中生存[3]。Renze[4]认为SRB在pH&6的条件下一般不生长，pH在6.48~7.43之间硫酸盐还原效果最好，在6.6时得到最大的硫酸盐还原率。一般认为SRB更适合在pH为7.0~7.8的环境下生存，它能忍耐的最大pH范围为5.5~9.0。 1.3.2温度 温度是影响硫酸盐还原的重要环境因素，它直接决定SRB的生长速度和代谢活性。根据SRB对环境温度要求不同，将其分类为中温菌和嗜热菌两类。目前研究报道的SRB大多为中温菌，其一般适合在30℃左右境环中生长[5]，最佳生长温度在30.5℃。此外有研究表明[6]:温度在31℃~35℃时，对SRB活性影响不大，温度小于30℃时活性受到抑制，温度降至20℃时活性受到强烈抑制。在含硫酸盐的废水和各种菌种混合共生的复杂体系中，一般在35℃是硫酸盐的还原率最大[2]。 1.3.3氧 早期研究表明，SRB是严格的厌氧菌，不能以氧气作为电子受体进行代谢。但有研究[7]表明:SRB可以在含氧量4.5mg/L的环境中生长，但环境中的含氧量达到9.0mg/L时，则不能生长。但总体来说，SRB属于厌氧菌，适合其生长的氧化还原电位(Eh)须低于-100mV。 1.3.4碳源 碳源是SRB代谢过程的重要影响因素。它为SRB提供能量并作为电子供体参与硫酸盐还原过程。最初的研究认为SRB仅能利用有限的基质作碳源，如乳酸盐、丙酸盐、反丁烯二酸、苹果酸、乙醇等。但近些年国内外学者利用不同的培养基进行研究，发现SRB可利用的有机碳源的种类不断扩大，迄今为止发现可以作为碳源的种类有100多种。除以上谈到的有机碳源外，SRB还可以利用尿素、乙酸、丙酸、丁酸和长链脂肪酸及苯甲酸。有报道称乳酸盐(乳酸)是最合适的碳源。但其也存在不足，如价格比较昂贵，SRB对其只能部分分解而使处理后的水中存在大量的COD和有机碳。因此，这称为其应用到具体工程中的限制因素。 Chang等人[8]研究结果表明，多种有机废弃物均可作为SRB的碳源，这其中包括干草、稻草、泥炭、用过的蘑菇堆肥及废纸回收站的污泥。李亚新[6]用生活垃圾酸性中温发酵产物做有机碳源，对酸性矿山废水处理效果进行了研究，结果证明可行。 1.3.5硫化物 SRB在厌氧条件下将硫酸盐还原成S2-、HS-、H2S，H2S在气、液两相中都存在。还原产物对SRB有毒害作用，其中游离H2S的毒害作用最强。这可能是由于H2S成电中性，能穿透带负电的菌体细胞膜而破坏蛋白质[9]。关于硫化物影响SRB反应的机理，部分学者认为可能是由于硫化物与SRB特有的电子传递链中Fe结合生成FeS而使电子传递系统失去活性。也可能是H2S内在的毒性对系统直接作用的结果[10]。 1.3.6重金属离子 重金属离子对微生物的生长代谢有抑制作用。Oliver[11]等发现，金属对SRB的抑制顺序为Cu&Cd&Ni&Zn&Cr&Pb。抑制SRB的金属浓度分别为20mg/LCd、20mg/LCu、25mg/LZn、20mg/LNi、60mg/LCr和75mg/LPb及10mg/L的金属混合液。此外硫酸盐浓度较高时，Ca2+能沉积在污泥表面妨碍物质交换，致使污泥完全丧失活性[12]。故含高浓度硫酸盐废水处理中，Ca2+也能抑制SRB代谢作用。 2硫酸盐还原菌(SRB)在废水处理中的应用研究 根据SRB生化代谢特性可见其在废水处理中有极大的潜力和广阔的前景。近些年来SRB法被广泛应用在处理酸性矿山废水、重金属离子废水及高浓度硫酸盐废水等方面的研究，取得了一定效果，已成为废水处理领域的前沿课题。 2.1利用硫酸盐还原菌处理重金属离子废水 工业生产中排放的含有重金属离子的废水对环境危害巨大。重金属离子一旦进入天然水体内，便不能自行去除。水生动植物一旦摄取这些离子，就会沉积在体内，严重影响其生长发育。而重金属离子最终会通过食物链的作用在人体内累积，其有很强的致病性，严重威胁着人体健康。对重金属离子污染的治理一直是人们关注的课题。近些年来，利用SRB处理重金属离子废水的研究取得了一定的效果。 年间，由美国环保总署(EPA)提供资金，利用SRB对利利-奥芬博依矿的酸性矿山废水进行处理和控制，半工业试验[13]结果表明金属去除率为:Zn99%，Al99%，Mn96%，Cd98%，Cu96%。SmithWL[14]等以乳酸盐为电子供体，利用SRB生物膜对某制革厂含Cr废水进行处理。结果浓度为500μmol/L的含Cr(Ⅵ)废水在经过48h处理后去除率达到88%，绝大部分可溶性有毒Cr(Ⅵ)被还原成为了不溶的Cr(Ⅲ)，同时发现由于Cr(Ⅵ)得毒性作用，废水处理过程中仅有10%的SRB保持着生物学活性。田小光等[15]采用化学还原法并结合SRB吸附法研究了从电镀厂的含铬废水中去除铬。当废水中Cr(Ⅵ)的质量浓度为30~40mg/L时，Cr(Ⅵ)的去除率可达99.67%~99.97%。冯易君等[16]在研究共存离子对SRB处理含铬废水的影响中发现，经过SRB处理后，废水中的铬离子质量浓度从处理前的98mg/L下降到8.1mg/L，其它离子也得到去除。如铅的质量浓度从0.27mg/L降到0.02mg/L，锡的质量浓度从1.75mg/L降到0.3mg/L。江苏大学缪应祺[17]对用SRB处理钛白粉生产废水的研究结果表明，对模拟废水，42h内SO42-的去除率达到92.1%;对实际废水，42h内，SO42-的去除率可达到83.5%;COD/SO42-值对SO42-离子的去除有较大影响，比值在2~3时效果最佳。 2.2利用硫酸盐还原菌处理含硫酸盐的有机废水 现代工业中的食品、制药、造纸等工业生产中会排放大量的高浓度硫酸盐的有机废水。此类废水排放至水体中，会使水体发臭影响其水质指标。特别是在厌氧条件下硫酸盐经过生化反应产生刺激性气味的H2S，危害水生生态环境以及人体健康。对于高浓度硫酸盐有机废水，采用SRB生物脱硫法具有投资少、成本少、低能耗、去除率高及无二次污染等特点。 Boshoff等[18]以制革厂废水为碳源，采用UASB和SRB两种反应器进行了SO42-还原效果研究。实验中控制二反应器进水SO42-浓度均在1800mg/L，结果前者SO42-还原效率和COD去除速度分别为600mg/(d·L)、600~700mg/(d·L)，后者SO42-还原效率和COD去除速度分别为250mg/(d·L、200~600mg/(d·L)。河北科技大学杨景亮教授对SRB处理青霉素生产过程中排放的高浓度SO42-废水进行了研究[19]，试验结果表明，COD/SO42-、SO42-负荷是影响SO42-还原效果的主要因素。当SO42-负荷为5kg/(m3·d)，进水COD/SO42-为2.5~2.8时，SO42-去除率为68%~78%;进水COD/SO42-大于3时SO42-去除率大于90%。当进水SO42-为0.8~2.0g/L，反应器SO42-负荷分别为5、7.5、9、10kg/(m3·d)时，SO42-去除率分别达到93.2%、86%、82%和76%。SilvaAJ[20]等开发了一个厌氧固定化床反应器，对某生产有机氧化物工厂排放的含高浓度SO42-(mg/L)废水进行了研究。该反应器容积为94.2L，内部填充油1cm3的聚氨酯泡沫块，反应初期以不连续条件运行。结果表明，向反应器中添加乙醇会刺激SRB生长，SO42-还原效率和COD去除率受到COD/SO42-值影响，在COD/SO42-较高情况下，SRB仍然比MPB占有优势;在半不连续和连续条件下运行时，SO42-去除率最高可达97%。 2.3利用硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水 酸性矿山废水的污染甚为严重。由于其酸度较高，pH值一般为3.0~3.5，排入水体会导致水体酸化。其中含有大量SO42-离子，同时富含多种重金属离子(铜、铁、铬、铅、锌、锰、镍、砷等)会破坏土壤中物质结构，毒害水生生物、污染水源，威胁人类健康，并且随酸度的提高重金属离子的毒性会增大。目前常用的处理方法有石灰石(或石灰)中和法和湿地法。但都有一定缺点。中和法会产生大量的硫酸钙引起二次污染，并对水中的重金属离子不能去除;而湿地法对于产生的H2S处理不彻底，挥发至空气中也会造成污染。此外湿地法成本占用面积大，易受环境条件影响。而利用SRB法生物还原SO42-同时还能有效去除重金属离子、降解有机物，可达到以废治废的效果。对SRB在处理酸性矿山废水方面已有国内外的许多研究报道。 Kaksonen[21]利用SRB微生物同步去除锌、铁的实验表明，当废水含有170mg/L~230mg/L的锌和58mg/L的铁时，在FBR和UASB中锌的回收速率分别为250mg/(L·d)和350mg/(L·d)，水力停留时间(HRT)为16h时，铁的沉降速率为80mg/(L·d)。Maree等[22]对金矿排水进行了依据SRB生物还原法去除SO42-的中试规模研究，实验中的SRB连续式系统分为初级厌氧、好氧和两级厌氧消化3个阶段。实验结果表明有机碳中所含的难于生物降解的有机成分以及重金属含量经过SRB处理后可被大量去除。含硫酸盐废水经过生物处理后，单质S和碱度是最终产物，单质S可用于工业，生成的碱度可循环到最初工艺。 Ueki[23]研究了利用家畜粪便作为电子供体、利用SRB厌氧消化污泥去除酸性矿山废水中重金属离子的可能性，实验结果表明，废水中的重金属离子可得到有效去除。当污泥加入量为混合物的1.0%~5.0%时，废水中的铁离子去除率高于88%。Jong等[24]在25℃时利用实验室规模的上流厌氧填充床接种SRB处理酸性矿山废水，铜、锌和镍的去除率大于97.5%，砷的去除率大于77.5%。李亚新、苏冰琴[6]用生活垃圾酸性发酵产物作为碳源，研究了在初级厌氧阶段SRB处理酸性矿山废水的性能和工艺特点，结果表明在温度在35℃，回流比为50：1，HRT=12h，CODCr/SO42-值约为1.12条件下，废水经过SRB厌氧生物处理后，SO42-的还原率为86.73%，CODCr降解率达到85.69%，在有出水回流、废水的pH值为3.5时，仍有84%的SO42-还原率。 马晓航等[25]研究表明，当进水COD为1500mg/L，锌离子为500mg/L、水力停留时间为9h，其脱锌装置的锌离子去除速率可达1329mg/(L·d)。肖利萍、刘文颖、褚玉芬[26]2008年利用被动处理技术SAPS对酸性矿山废水进行处理，利用锯屑与鸡粪混合物的发酵产物作为SRB的碳源。试验结果表明，酸性矿山废水在实验装置内停留一定时间后，由于SRB对SO42-的还原作用，废水获得了充足的碱度，Fe2+和Cu2+的去除率均大于90%，SO42-也得到有效去除。 由于酸性矿山废水的酸性较强，偏离SRB生长代谢所适应的pH范围，所以在目前的工程应用上出现了限制性问题。对于酸性较强的矿山废水，可以在SRB微生物对其处理前进行酸度中和的预处理(避免用生石灰中和，因其产生硫酸钙沉淀附着在污泥表明而影响微生物活性)，或对纯种SRB微生物进行驯化，培养出能在酸性条件下进行生物法还原反应的优势SRB菌种。如何高效提高SRB处理酸性矿山废水的能力是一个前沿性的学术课题。
3有待进一步解决的问题 SRB法处理废水很有应用价值，但由于生化反应过程中影响因素多而复杂，在具体应用于实际之前还需要做大量的研究工作。主要表现在: (1)寻找技术上可行，经济上价廉的碳源，同时保证反应器处理后出水的COD不随外加碳源而提高; (2)如何提高SRB在酸性环境中对SO42-的还原效率，如何消除还原产物H2S对其的影响; (3)废水中重金属离子种类的不同，对SRB等微生物的毒性和抑制作用也会不同，而且多种金属离子的综合作用和单一金属离子的作用也会不一样，所以有必要对此进行全面研究; (4)如何刺激SRB生长进行废水的原位生物修复处理。 作者简介:肖利萍(1970-)，女，内蒙古乌蒙人，博士，教授，研究方向:污水处理技术与资源化。
发表评论：
TA的最新馆藏
