净水技术|硫酸盐还原菌对多环芳烃降解的研究进展综述
小编导读
多环芳烃(PAHs)是环境中广泛分布的一类有机物。其广泛分布于水、大气土壤中，且有相当毒害。近年来关于多环芳烃厌氧降解的研究已经逐渐成为人们研究的重点，虽然国内外已有研究关于多环芳烃的厌氧降解体系，但对于硫酸盐还原菌（SRB）降解PAHs的深层研究仍需不断发展和优化。比较了多环芳烃厌氧降解的各种体系，介绍了硫酸盐还原菌降解多环芳烃的机理，总结了硫酸盐还原体系的影响因素。
多环芳烃(PAHs)是一类广泛分布于天然环境中的持久性有机污染物（POPs）。通常指由两个或两个以上苯环以线状、角状或簇状排列化合物。PAHs具有持久性、高毒性和生物富集性。在美国EPA所列的优先控制有机污染物黑名单中，有萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并(a)蒽、屈、苯并(b)荧蒽、苯并(k)荧蒽、苯并(a)芘、茚苯(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,n）蒽、苯并(ghi)北这16种多环芳烃。PAHs因分子量的不同在物理和化学性质上也存在一定的差异，如高分子量的极性和挥发性比低分子量的弱。
PAHs在环境中难以降解，本世纪初以硫酸盐还原菌（SRB）为主要菌种的厌氧生物降解研究正逐渐展开，并已将该菌种应用于难降解的PAHs有机废水处理中。目前，关于PAHs的好氧生物降解已经有很多研究成果，但对于在硫酸盐还原条件下的厌氧消化降解方面的报道较少。由于SRB是一类广泛存在于海水、湖水、下水管道、土壤、污泥等厌氧环境的微生物，因此研究厌氧消化过程中SRB对PAHs的降解机理具有重要的理论和实践意义，对当前全球性环境保护也具有重要作用。
相比于好氧降解多环芳烃，厌氧降解较为缓慢，可降解的细菌相对较少。在厌氧条件下，只有萘、芴、菲、荧蒽等结构简单的PAHs可以被降解。但有学者研究发现，使用生物燃料电池技术可使厌氧环境下萘，苊和菲三种多环芳烃的降解率高于好氧条件下的降解率。在硫酸盐还原体系中，通过羧化生成2-萘甲酸，在琥珀酰-辅酶a的作用下，萘生成萘酰-辅酶a，从而使得苯环裂解。
根据厌氧还原体系中电子受体的不同，将厌氧生物降解PAHs的反应体系分为硫酸盐还原反应体系、反硝化还原反应体系、金属还原反应体系和产甲烷还原反应体系等。厌氧降解PAHs对于不同厌氧还原体系，PAHs降解效果也不同。其中研究较为广泛的是硫酸盐还原体系。有研究表明，多环芳烃在不同厌氧降解体系中降解速率由快到慢分别为硫酸盐还原体系>产甲烷还原体系>反硝化还原体系 。各种厌氧降解体系特点如表1所示。
表1 不同厌氧降解体系对比
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厌氧反应体系 |
反硝化还原体系 |
硫酸盐还原反应体系 |
金属还原反应体系 |
产甲烷还原反应体系 |
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主要降解微生物 |
反硝化还原菌 |
硫酸盐还原菌 |
厌氧微生物 |
产甲烷细菌或其他厌氧微生物 |
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电子受体 |
硝酸盐 |
硫酸盐 |
金属离子 |
/ |
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目前研究 |
以萘的降解居多 |
降解能力优于反硝化还原体系 |
研究集中在Mn( IV)和Fe( III) |
反应速率仅次于硫酸盐还原体系 |
去除自然界中PAHs的主要途径是微生物降解，而研究厌氧微生物降解PAHs的降解机理的首要步骤是从自然界分离、培养和驯化的厌氧降解微生物展开。
目前，已有众多学者从海相沉积物中分离得到可降解低环PAHs能力的微生物菌群。Musat等从近海岸带表层底泥中富集培养获得了2株能够厌氧降解萘的硫酸盐还原海洋细菌—NaphS2和NaphS3，NaphS2和NaphS3同源性高度相似，都属于δ-变形菌纲脱硫杆菌科。还有一部分学者发现淡水河道底泥中也含有可降解PAHs的微生物群落，Selesi等从淡水河道底泥中分离得到了一组能降解2-甲基萘的厌氧微生物菌群N47，它的组成与硫杆菌属细菌相似。总体来看，不同细菌降解多环芳烃的能力不同，其中假单胞菌能降解几乎所有可降解的多环芳烃，它的降解范围最广、种类最多。
一般认为传统的严格厌氧的硫酸盐还原菌，在氧化还原电位低于-100 mV环境下才可以生长，因此培养基中必须加入硫酸钠、抗坏血酸等还原剂。但最近有研究发现，很多种脱硫弧菌因体内含有超氧化物歧化酶、H2O2 酶、NADH酶，在有氧环境中短时间内不会失去活性。刘艳等人分离出的一株硫酸原还原菌DSRBa在初始氧化还原电位为-40 mV时也能生长很好，初始生长环境并非绝对严格厌氧。
虽然SRB是兼性厌氧，但其仍是极其敏感的微生物，培养SRB的关键条件仍是要求严格厌氧。试验中常常加入半胱氨酸作为除氧剂，以刃天青作为氧指示剂。目前有很多关于培养SRB培养基的配方，在配制培养基时，加入亚铁盐，如若培养基中生成硫化铁黑色沉淀，则可以说明SRB已经生长。SRB的培养条件重，pH一般控制在中性偏碱，此外，大部分SRB为中温菌，还有一部分为嗜热菌。培养硫酸盐还原菌的控制条件如表2所示。
表2 培养硫酸盐还原菌控制条件
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控制条件 |
氧化还原电位 |
温度 |
pH |
COD/SO42- |
碳源 |
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SRB |
-100 mV（严格厌氧菌） |
≈30 ℃ |
中性偏碱 |
>3.0 |
乳酸最优 |
从环境中分离培养多环芳烃的优势菌群，再将其投入污染环境中，此过程称为多环芳烃污染的生物修复。优势菌群的筛选在无机盐培养基中，以某一种PAHs为唯一碳源和能源，通过HPLC法测定降解效率。试验在暗室中操作，否则PAHs可能会被降解。通过革兰氏染色、过氧化氢反应、氧化反应以及形态观察等试验方法，再利用16S rDNA分类完成。
SRB是一类与硫酸盐还原反应相关的细菌的统称，其特点是以有机物为电子供体，以硫酸根离子为最终电子受体，通过有机物的厌氧消化获得细胞物质，从而维持生命所需的能量。而在硫酸盐还原体系中，硫酸盐还原菌以PAHs为碳源以获取能量和生存的必备条件，从而将PAHs转化为简单的、易降解的化合物或是CO2和H2O，以减少PAHs对环境的影响。根据分析推测，具有降解PAHs潜在功能的厌氧微生物主要是变形菌纲或放线纲中的脱硫杆菌科。
SRB降解多环芳烃的难易程度一般由多环芳烃的化学复杂性决定，特点如下：容易被微生物降解和矿化的多为低环的PAHs，而且降解速率快；而高环PAHs（4环或4环以上）降解能力相对较弱，PAHs的降解速率与其分子量呈负相关。硫酸盐降解多环芳烃的一般途径一般分为以下两种：一种是以PAHs为唯一碳源和能源供其生长，如萘、菲等小分子有机物；另一种是将PAHs与其他代谢物一起作为共代谢产物而生长，如苯并芘等大分子有机物。
研究发现，市政污泥中各种多环芳烃的降解率依次是：菲>芘>蒽>芴>苊；而在石化污泥中降解率依次是苊>芴>菲>蒽>芘。Tsai等发现了一组硫酸盐还原菌群，在21 d的培养中有88%的芴和65%的菲随硫酸根减少而被转化。Rothermich等发现低环多环芳烃降解速率要快于高环多环芳烃，后者的准确检测需要较长时间。
温度会影响硫酸盐还原菌的生长期从而影响PAHs的降解速率。根据SRB对温度的要求，将其分为中温菌和嗜热菌两种，目前发现的大部分为中温菌，其最适温度约30℃。还有部分嗜热菌最适温度也应≤45 ℃。郑强研究发现当SRB约35 ℃时，SO42-还原速率最大，SRB生长最旺盛，当温度超过30~40 ℃时，生长会受到抑制。
有研究表明，温度主要是通过三个途径来影响SRB的生命活动：一是当温度升高时，SRB细胞中的大分子物质如蛋白质、核酸及其他生物活性物质发生不可逆的转变，降低SRB生化反应功能；二是高温可以使得细胞膜脂质熔化从而使细胞内含物流出，导致SRB死亡；三是细胞内酶会随温度升高而加快反应速度，使得SRB生长代谢加快。同时大部分研究表明SO42-还原的最佳温度约30 ℃，但由于SO42-和各种菌混合的复杂体系，SO42-还原速率也不仅取决于温度，还有竞争的影响。
pH是影响SRB活力的主要因素，在过低的pH条件下，SRB一般难以被还原。但也有学者发现在较低的pH下时，SO42-也可以还原，试验发现pH值在5.6~6.0时SRB仍能生长，而在2.5~4.5时，能进行异化硫酸盐还原反应，这是由于pH低时，水中H2S更容易被吹脱。有研究发现SRB适于在7.0~8.0下生长，在7.0时生长最优，并且从硫酸盐还原菌适应环境还原SO42-开始，体系中的pH值开始上升，当SO42-还原结束，pH值也开始下降。这是因为在SO42-的厌氧环境中，SRB会产氢产乙烷，将乙醇、乳酸菌和丙酮酸分解为己酸和氢。pH在降低后还会升高是由于细菌死亡而导致COD增大速率快于好氧菌和兼性厌氧菌降解有机物的速率。
早在1987年，NielsonP等人就在研究中发现了硫酸盐对SRB和MPB生长速率的影响。后人经进一步研究提出了碳硫比的概念，为COD/SO42-比值，认为其是SRB和MPB之间的竞争的主要因素。当COD不足时，SRB和MPB之间的竞争中SRB处于微弱优势，厌氧污泥要经过较长时间才能使SRB确定优势地位。有研究表明，当COD/SO42- <3时，废水中的碳源不能使SRB还原足够的SO42-；当COD/SO42-比值为2~5时，COD/SO42-越大，SO42-的去除率越好，甚至当COD/SO42-值为4时，能达到全部去除效果。实际静态系统中的COD/SO42-一般≥3，初始COD/SO42-值越大，SO42-还原速率越高，有机物降解越快，pH上升速率也越快。其中，SO42-还原速率高是由于较高的COD/SO42-值或充足的有机物能促进SRB还原作用；有机物降解速率快是由于COD/SO42-值大，更有利于产甲烷菌(MPB)的生长，从而提高活性。
根据SRB利用碳源的不同，可以分为不完全氧化型和完全氧化型。不完全氧化型主要是以丙酮酸、乳酸等作为碳源，最终代谢产物为乙酸。而完全氧化型是将某种脂肪酸完全氧化为CO2和H2O。根据理论研究，若底物完全氧化为CO2和H2O时，COD/SO42-应该为0.67，但实际研究中很难做到完全氧化，一般都＞3.0。
硫酸盐还原生成的硫化物（H2S）会抑制细菌的生长。H2S浓度为0~50 mg/L时，可以完全抑制SRB生长，当体系中此浓度持续时间超过3~6 h时，硫酸盐还原菌活性会不可逆的丧失。也有文献认为当H2S浓度为0.4 g/L，SRB生长缓慢；当H2S浓度达到0.6 g/L时，SRB停止生长。H2S抑制作用主要取决于游离的H2S浓度，由于中性的H2S可以穿透带负电的细胞膜进入细菌体内产生毒害。当H2S破坏了蛋白质，就会产生辅酶A和辅酶M。乙酰辅酶A可以使得SRB和MPB固定CO2。从而使得SRB生长曲线呈线性而不是指数生长。
防止硫化物毒性主要采用的方式有三种：一是反应器在碱性条件下操作，使硫化物主要以HS-、S2-形式存在，不会影响生物生长；二是降低pH可以将H2S吹脱；三是添加重金属形成金属硫化物沉淀，同时也可以达到处理重金属的效果，但仍要考虑重金属对SRB的毒害作用。
有研究发现，SRB对碳源利用率依次是：低分子有机酸、挥发性脂肪酸盐、醇类、糖类。在硫酸盐存在条件下，硫酸盐还原菌的厌氧消化器中常以乙酸、丙酸、丁酸等为挥发性有机酸电子供体。在不同的污泥中，利用不同的碳源基质，硫酸盐还原菌的分布也有所不同。污泥对不同的碳源有不同的消化能力，从而影响硫酸盐还原的速率。硫酸盐还原菌利用碳源的速率一般为乳酸＞丙酸＞丁酸＞乙酸，乙酸即使在硫酸盐过量的环境下也不能被完全利用，且乙酸在非离解状态下还可能会对SRB有毒害作用。
目前从国内外研究来看，多环芳烃在生物修复方面有良好的应用前景，厌氧微生物降解PAHs研究越来越受到人们的关注，但相对于好氧降解的研究还比较少，研究存在的问题与展望：
（1）目前的研究大多局限在二环和三环PAHs厌氧降解，而四环以上的高分子量、高毒性的PAHs研究还是相对较少。
（2）针对萘和菲的降解机理的研究相对较多，但对于不同厌氧条件下，高环PAHs的降解报道较少。对于通过稳定同位素或分子生物学等技术研究微生物酶促反应对PAHs开环机理和中间产物的研究有待进一步深入。
（3）通过新型育种技术构建高效新型菌株，找到难降解PAHs的新降解方法，扩大微生物降解污染物的范围。构建高效新型菌株降解环境中难降解污染物是环境工程领域研究的前沿课题。
（4）研究降解PAHs的最适环境因素和工艺过程参数，优化修复技术体系，提高修复体系效率的相对较少。通过研究PAHs厌氧降解的最优条件，提高厌氧降解菌株的存活率和降解能力，将成为今后关注重点。
本文发表在《净水技术》2017年第三期，查看原文可登陆http://www.cnki.net/KCMS/detail/31.1513.TQ.20170331.1715.005.html进行查看。
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