氧化亞鐵硫桿菌與氧化硫硫桿菌的特性及應(yīng)用研究.pdf

1、氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferroxidans，T.f)和氧化硫硫桿菌(Thiobacillusthiooxidans，T.t)是兩種能氧化還原性硫化合物而產(chǎn)生硫酸的嗜酸性細(xì)菌。這種產(chǎn)酸的特性，使得硫桿菌具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。自二十世紀(jì)以來(lái)，就作為“生物浸出法冶金工藝”的主角而被廣泛應(yīng)用于難浸提礦石或貧礦中金屬的溶出與回收。近年來(lái)，這兩種菌的特性被逐漸應(yīng)用到環(huán)境污染治理領(lǐng)域。人們對(duì)利用生物浸出法實(shí)現(xiàn)煤和煙道氣的脫硫及

2、污泥中重金屬的去除等進(jìn)行了許多探索和研究，并使其達(dá)到了一定的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。 雖然前人對(duì)兩種菌的特性及應(yīng)用方面已進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，對(duì)氧化亞鐵硫桿菌與氧化硫硫桿菌有了較深的了解，但仍存在許多未解決的問(wèn)題。例如，這兩種硫桿菌對(duì)不同硫化合物的利用能力至今仍缺乏系統(tǒng)和科學(xué)的評(píng)價(jià)，其硫代謝機(jī)理也存在著許多的爭(zhēng)議；目前絕大部分有關(guān)硫桿菌的研究都集中在無(wú)機(jī)領(lǐng)域，有關(guān)有機(jī)物對(duì)硫桿菌的毒性研究仍鮮有報(bào)道；針對(duì)目前國(guó)內(nèi)城市河涌底泥重金屬污染嚴(yán)重，利

3、用硫桿菌進(jìn)行生物瀝濾的研究也鮮有報(bào)道；氧化亞鐵硫桿菌與氧化硫硫桿菌作為微生物由來(lái)的腐蝕的主要菌種，其作用機(jī)理、影響程度等的研究至今仍很缺乏。為了豐富和完善兩種硫桿菌的理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)上述四方面存在的研究不足的現(xiàn)狀，本研究利用由硫鐵礦采集到的礦坑廢水，通過(guò)一系列培養(yǎng)、分離、純化得到的氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌從以下四個(gè)方面對(duì)兩種菌的特性及應(yīng)用進(jìn)行了研究。內(nèi)容一，分別以硫酸亞鐵、單質(zhì)硫、硫代硫酸鈉、亞硫酸氫鈉等物質(zhì)作為兩種硫桿菌的

4、底物，比較兩種菌對(duì)這些物質(zhì)的利用能力，并研究溶液中各含硫化合物之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律。同時(shí)，進(jìn)一步研究了溶解氧(DO)和起始pH等因素對(duì)硫桿菌利用底物的影響。內(nèi)容二，分別在兩種菌的培養(yǎng)基中添加甲酸、乙酸、丙酸、丁酸四種低分子有機(jī)物，乙醛、乙醚、乙醇、丙酮四種可溶性低分子有機(jī)物及葡萄糖作為兩種硫桿菌的有機(jī)環(huán)境，研究比較硫桿菌對(duì)這些有機(jī)物的耐受性及降解性能。內(nèi)容三，利用純化得到的兩種硫桿菌，分別投加硫酸亞鐵、單質(zhì)硫及二者的混合物作為不同的能源物質(zhì)對(duì)

5、河涌底泥重金屬進(jìn)行生物瀝濾，研究這兩種硫桿菌的瀝濾效果，及比較不同底物對(duì)瀝濾的影響。同時(shí)利用底泥中的土著硫細(xì)菌和鐵細(xì)菌對(duì)底泥進(jìn)行生物瀝濾，比較純硫桿菌與土著菌的瀝濾能力。內(nèi)容四，以靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行氧化亞鐵硫桿菌對(duì)304不銹鋼的腐蝕影響實(shí)驗(yàn)。從微生物檢測(cè)，采用到電化學(xué)測(cè)量、材料表面形貌觀測(cè)等手段多分析和研究氧化亞鐵硫桿菌產(chǎn)生腐蝕影響的機(jī)理，腐蝕的程度等。 氧化亞鐵硫桿菌與氧化硫硫桿菌對(duì)不同硫化合物的利用能力比較及其代謝機(jī)理研究結(jié)

6、果表明，T.f利用單質(zhì)硫的能力不如T.t，但對(duì)硫酸亞鐵、硫代硫酸鈉和亞硫酸氫鈉的能力都有很強(qiáng)的利用能力；zf難以利用硫酸亞鐵，但利用單質(zhì)硫、硫代硫酸鈉和亞硫酸氫鈉的能力都很強(qiáng)。根據(jù)兩種菌利用不同底物產(chǎn)生的中間產(chǎn)物的種類及量，詳細(xì)地探討了T.f和T.t菌利用硫酸亞鐵、硫、硫代硫酸鈉、亞硫酸氫鈉的代謝途徑機(jī)理。其中，利用硫酸亞鐵、硫和亞硫酸氫鈉的機(jī)理比較簡(jiǎn)單，但對(duì)硫代硫酸鈉的利用極為復(fù)雜，終產(chǎn)物有硫酸、連四硫酸鈉、二氧化硫和硫等。溶解氧濃度

7、、起始pH對(duì)T.f和T.t利用底物的影響研究結(jié)果表明，提高溶解氧濃度可以顯著加快T.f和T.t對(duì)硫代硫酸鈉和亞硫酸氫鈉的利用速度，但不能提高T.f和T.t對(duì)硫酸亞鐵和硫的氧化速度。較低的pH能顯著加快T.f和T.t對(duì)各種底物的利用速度。 有機(jī)物對(duì)氧化亞鐵硫桿菌與氧化硫硫桿菌生長(zhǎng)影響的研究結(jié)果表明，兩種菌對(duì)不同的有機(jī)物有不同的適應(yīng)性。在葡萄糖中兩種菌都能很好的生長(zhǎng)。T.f菌則在乙酸中有較好的生長(zhǎng)，T.t菌則在乙酸和丁酸中都能較好的

8、生長(zhǎng)。乙醛和乙醚完全抑制T.f菌的生長(zhǎng)，而在乙醇和丙酮中T．f菌生長(zhǎng)良好。T.t菌在四種有機(jī)物中受到一定的影響，但均能生長(zhǎng)。另外，兩種硫桿菌對(duì)所選的各有機(jī)物都不具有降解利用能力。總之，硫桿菌對(duì)有機(jī)物是選擇性的適應(yīng)，并可通過(guò)馴化等方式加強(qiáng)其適應(yīng)能力。氧化亞鐵硫桿菌與氧化硫硫桿菌瀝濾河涌底泥重金屬的研究結(jié)果表明，T.f、T.t菌及混合菌與土著菌塒河涌底泥中Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Pb六種重金屬都具有良好的瀝濾效果，且兩者瀝濾效果相當(dāng)。

9、最高去處率分別達(dá)70％、60％、80％、95％、80％、30％。但土著菌瀝濾河涌底泥金屬的遲緩期較長(zhǎng)，需要4-5d的時(shí)間。投入實(shí)驗(yàn)室已分離得到的硫桿菌則可以縮短浸出的遲緩期，加快浸出速度，通常第2d便開(kāi)始快速溶出。這點(diǎn)在實(shí)際生產(chǎn)中，有一定的應(yīng)用價(jià)值，即可以縮短馴化時(shí)間，同時(shí)也能加快浸出的速度，從而減少瀝濾時(shí)間。另外發(fā)現(xiàn)，投加不同的底物，亞鐵和元素硫，對(duì)兩類菌瀝濾底泥重金屬效果有一定的影響作用。對(duì)Cr、Pb的浸出，投加硫粉的浸出效果更好，

10、對(duì)Cd、Ni、Cu、Zn四種會(huì)屬的浸出效果則無(wú)明顯影響。此外，土著菌不同的馴化方式對(duì)底泥瀝濾有一定的影響。在馴化過(guò)程中一直以底泥為培養(yǎng)基的土著菌A與一直以自配的9K作為培養(yǎng)基，底泥只是作為接種部分馴化得到的土著菌B相比，前者菌的種類較多。土著菌A的場(chǎng)合由于各種菌之間易產(chǎn)生協(xié)同作用，有利于金屬的浸出，因而更適用于實(shí)際生產(chǎn)。最后，T．f菌及混合菌同時(shí)投加亞鐵和元素硫兩種底物，各種金屬的浸出率反而降低。這可能是硫桿菌代謝生成的SO<,4><'

11、2+>與Fe<'3+>易生成黃鐵礬(M<,2>Fe<,6>(SO<,4>)<,4>(OH)<,12>(M=K<'+>、Na<'+>、NH<'4+>)等沉淀物質(zhì)，與溶出的重金屬發(fā)生共沉淀，從而降低其浸出重金屬的效果。黃鐵礬生成的最適宜條件為pH=2.0，因此可通過(guò)控制瀝濾的pH來(lái)控制黃鐵礬沉淀的生成。 氧化亞鐵硫桿菌對(duì)304不銹鋼腐蝕影響的研究結(jié)果表明，在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，從生物膜的觀測(cè)，電化學(xué)方法的監(jiān)測(cè)證實(shí)z廠菌的存在極大地加速了對(duì)3