鐵氧化細(xì)菌及其在化工環(huán)境領(lǐng)域的研究進(jìn)展*

張曉昕，唐詩(shī)洋，張樹華

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江省能源環(huán)境研究院，黑龍江 哈爾濱 150001）

綜述

鐵氧化細(xì)菌及其在化工環(huán)境領(lǐng)域的研究進(jìn)展*

張曉昕1，唐詩(shī)洋2，張樹華2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江省能源環(huán)境研究院，黑龍江 哈爾濱 150001）

鐵氧化細(xì)菌（Fe-oxidizingBacteria，F(xiàn)OB）具有極大的代謝可行性和潛能，在自然環(huán)境中存在數(shù)量巨大，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。本文歸納總結(jié)了近年來(lái)鐵氧化細(xì)菌及其在化工環(huán)境領(lǐng)域的理論和應(yīng)用研究進(jìn)展，并指出存在問(wèn)題，對(duì)今后的研究方向進(jìn)行展望。

鐵氧化細(xì)菌；化工環(huán)境；生物脫硫；生物浸出

鐵氧化細(xì)菌（Fe-oxidizingBacteria，F(xiàn)OB）是一類生活在含有高濃度Fe2+的池塘、湖泊、溫泉等水域中，能將二價(jià)鐵鹽氧化成三價(jià)鐵化合物，并能利用此氧化過(guò)程中產(chǎn)生的能量來(lái)同化CO2進(jìn)行生長(zhǎng)的細(xì)菌的總稱。此類微生物種類較多，廣泛分布于自然界如地表水，土壤，海洋及地下水生態(tài)系統(tǒng)中［1，2［3］。由于它能氧化溶解于水中的FeO、Fe2（CO3）3并形成高鐵沉積下來(lái)，起到濃縮和積累環(huán)境中鐵的作用，可作為天然褐鐵礦形成的參與者，是一類推動(dòng)鐵元素循環(huán)的微生物［4］。

鐵氧化菌具有機(jī)大的代謝可行性和潛能，在環(huán)境中存在數(shù)量巨大，利用其代謝特性，可以實(shí)現(xiàn)Fe （II）到Fe（III）的轉(zhuǎn)化，從而影響水土環(huán)境，因此，近年來(lái)，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注，對(duì)其生理生化特性、代謝特征等開展了大量的研究，并開始利用其代謝潛能，在化工環(huán)境領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，獲得比較理想的處理效果。

1　鐵氧化細(xì)菌種類、生境及特性研究進(jìn)展

近年來(lái)，隨著凝膠培養(yǎng)技術(shù)（Gel-stabilized）的出現(xiàn)，使得鐵氧化細(xì)菌在自然環(huán)境中的氧化還原生境得以獲得最大限度的模擬，一系列鐵氧化細(xì)菌被研究人員從自然環(huán)境中分離出來(lái)。一般而言，鐵氧化代謝普遍存在于細(xì)菌與古細(xì)菌門的微生物體內(nèi)，常見的鐵氧化菌細(xì)菌種屬包括好氧菌屬，例如Leptothrix，廣泛存在于淡水環(huán)境中［5］。而由于環(huán)境及生境的復(fù)雜多變，海洋環(huán)境系統(tǒng)中的鐵氧化細(xì)菌目前涉及較少，Mariprofundus ferrooxydans是其中研究最為具體充分的菌屬之一［6］。除好氧鐵氧化細(xì)菌之外，厭氧FOB也是十分重要的鐵循環(huán)參與者。研究人員發(fā)現(xiàn)厭氧FOB（包括光能自養(yǎng)型和化能異養(yǎng)型）在中性pH條件下具有硝酸鹽及（高）氯酸鹽還原等代謝特性［7］。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的部分典型FOB的生理生態(tài)特征見表1。

表1　部分鐵氧化細(xì)菌及其特性Tab.1　Partial FOMs and their related characteristics

2　鐵氧化菌在生物脫硫工藝中的應(yīng)用

化工、冶金等行業(yè)中含黃鐵礦硫、有機(jī)硫和硫酸鹽的硫化石燃料的燃燒（煤、石油、天然氣等）和排放，造成了環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，消除SO2污染，降低燃煤SOx排放的工藝與技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)之一。微生物脫硫技術(shù)的基礎(chǔ)是鐵氧化細(xì)菌能利用Fe2+間接或者直接將煙氣中SO2氧化為硫酸鹽的特性。氧為這一反應(yīng)的最終電子受體，反應(yīng)條件較為溫和，與傳統(tǒng)的脫硫方法相比，具有高效、無(wú)二次污染且操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)［17］。

常見的脫硫微生物包括嗜酸氧化亞鐵硫桿菌（Acidithiobacillus ferrooxidans，At.ferrooxidans）、氧化亞鐵鉤端螺旋菌（Leptospirillum ferrooxidans，L.f）和氧化硫硫菌（Thiobacillusthiooxi dans）等，其中以嗜酸氧化亞鐵硫桿菌的應(yīng)用最為廣泛。由于礦物表面含有微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及能源物質(zhì)，微生物對(duì)礦物表面存在特性吸附。氧化亞鐵硫桿菌外膜上的某些特殊官能團(tuán)如-OH，-COOH，-SH等對(duì)硫化礦表面具有強(qiáng)烈的鍵合作用，使菌能強(qiáng)烈吸附于黃鐵礦表面。通常而言，生物脫硫的反應(yīng)機(jī)理如下所示［18］：

劉玉嬌［19］等人研究了pH值、接種量及煤粉數(shù)量對(duì)嗜酸性氧化亞鐵硫桿菌LX5的生物脫硫效能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其生物脫硫的最佳條件為初始pH值2.5，LX5接種量10%（體積），煤粉加入量10%（質(zhì)量），反應(yīng)時(shí)間15d，脫硫率可達(dá)到69.2%，黃鐵礦硫的脫硫率可達(dá)78%。Yang［20］等人從煤礦廢水中分離出高效脫硫菌株 At.ferrooxidans菌株YY2，其總脫硫率和脫硫鐵礦硫率可分別達(dá)到75% 和86%。Marinov［21］等人利用At.ferrooxidans菌株F3對(duì)含硫量極高的Bulgarian煤進(jìn)行生物脫硫，總脫硫率和脫黃鐵礦硫率可分別達(dá)到14%和50%。張赫［22］選取聚乙烯醇為基本包埋劑對(duì)氧化亞鐵硫桿菌進(jìn)行固定化，并將固定化顆粒填裝生物反應(yīng)器并與化學(xué)反應(yīng)器聯(lián)用，形成生物-化學(xué)兩級(jí)反應(yīng)器工藝，可以較好的應(yīng)用于工業(yè)廢氣中SO2的處理，同其他脫硫技術(shù)相比，該工藝技術(shù)可將脫硫效率提高至85%。此外，唐家彬［17］利用電暈放電等離子體對(duì)已有氧化亞鐵硫桿菌進(jìn)行誘變，發(fā)現(xiàn)當(dāng)放電間距5mm，誘變時(shí)間5min時(shí)，細(xì)菌生長(zhǎng)周期縮短為30h左右，比原始菌株縮短12h。將誘變菌株在生物滴濾塔內(nèi)掛膜固定化后處理SO2氣體，掛膜時(shí)間可縮短4d。在液體噴淋量為24L·h-1，F(xiàn)e2+濃度約0.9g·L-1，溫度30℃，pH值為2.5，SO2濃度為3000mg·m3左右時(shí)，誘變菌株脫硫周期為5d，脫硫率均穩(wěn)定在98%左右。

3　鐵氧化菌在重金屬污染去除工藝的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著礦業(yè)、電子等行業(yè)的迅猛發(fā)展，其生產(chǎn)和回收等環(huán)節(jié)中會(huì)產(chǎn)生大量的金屬離子，例如Cu，Zn，Cr，Mo，Ba，Pb等，排放后最終會(huì)導(dǎo)致水體呈酸性，造成土地酸化。近年來(lái)，以Acidithiobacillus，F(xiàn)erroplasma，和Leptospirillum為代表的一系列鐵氧化細(xì)菌已廣泛應(yīng)用于礦山冶金、廢舊PCB板、廢舊電池、電子廢料處理等行業(yè)，具有環(huán)境友好、節(jié)能高效、工藝占地面積小等優(yōu)勢(shì)［23］。以Acidithiobacillus ferrooxidans為例，利用Fe2+作為能量來(lái)源同時(shí)產(chǎn)生Fe3+，反應(yīng)過(guò)程如下［24］：

張少劍［25］利用氣升式反應(yīng)器，考察嗜酸氧化亞鐵硫桿菌對(duì)尾礦中重金屬的去除效能，結(jié)果顯示銅的最佳浸出條件為反應(yīng)溫度在25℃左右，礦漿質(zhì)量濃度為10%，初始pH值為1.6，微生物接種量為10%，浸出24 d之最大浸出率約為16.58%；鎘、鋅、砷的最佳浸出條件為反應(yīng)溫度在25℃左右，礦漿質(zhì)量濃度為10%，初始pH值為1.2，微生物接種量為10%，浸出24 d之后，浸出率分別為 17.51%、81.10%和47.32%。Jadhav［26］等人綜合考察了At. ferrooxidans對(duì)于含銀電池的浸出效能。當(dāng)反應(yīng)溫度為30℃，初始pH值為2.5，搖床速度150r·min-1時(shí)，菌株對(duì)銀的去除率可達(dá)到98%。許治國(guó)［27］利用兩段式生物浸出反應(yīng)器，考察了氧化亞鐵硫桿菌Z1的生物浸出廢舊線路板金屬富集體的處理效果。研究結(jié)果表明，相比于沸石、活性炭等載體，利用紗布固定化反應(yīng)器的處理效果良好。當(dāng)停留時(shí)間為6h，反應(yīng)器曝氣量1L·min-1和金屬富集體粉末投加量12g·L-1的條件下，運(yùn)行96h，銅、鋅、鎂、鋁和鎳的浸出率分別可達(dá)到91.68%、95.32%、90.32%、86.31% 和59.07%。李樹美［28］考察了嗜酸性Fe（II）供能菌群對(duì)重金屬的耐受性。結(jié)果表明對(duì)數(shù)期菌體對(duì)重金屬存在明顯的吸附作用，對(duì)Cu（II）、Zn（II）和Cd（II）的最大吸附率分別為 84.52%、98.84%和 78.74%。Rasteqar［29］等人研究了At.ferrooxidans進(jìn)行生物浸出的最優(yōu)條件發(fā)現(xiàn)當(dāng)初始pH值為1，礦漿濃度9g· L-1，初始Fe3+濃度為1g·L-1時(shí)菌株對(duì)Cr和Ni的去除率可分別達(dá)到55.6%及58.2%。

4　展望

鐵氧化菌具有機(jī)大的代謝可行性和潛能，在化工行業(yè)污染治理領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。然而，由于目前發(fā)現(xiàn)的鐵氧化細(xì)菌生長(zhǎng)都較為緩慢，通常需要幾天甚至幾周的時(shí)間，從而大大影響了處理工藝的運(yùn)行周期和效果，阻礙了工藝的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展。微生物是生物法的核心，因此具有較高生物活性及穩(wěn)定處理效能的優(yōu)質(zhì)工程菌的馴化和分離仍將是今后的研究重點(diǎn)之一。同時(shí)新型工藝的開發(fā)與工藝參數(shù)的優(yōu)化及相應(yīng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的建立還需要進(jìn)一步的深入而詳盡的研究。以上這些問(wèn)題，也將成為今后鐵氧化細(xì)菌在化工環(huán)境污染治理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向。

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Research advances and prospect in fields of chemical environmental engineering by Fe-oxidizing bacteria*

ZHANG Xiao-xin1，TANG Shi-yang2，ZHANG Shu-hua2
（1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；2.Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150001，China）

Fe-oxidizing bacteria（FOB）existing prevalently in natural environments，has enormous metabolic feasibility and potentiality，and has gained extensive scientific interest globally as a result.In this study，the recent research progress of FOB and its application in the field of chemical environmental engineering are summarized. The existing problems and research prospect are also explored for future study

Fe-oxidizing bacteria；chemical environment；bio-desulfuriaztion；bio-leaching

X703.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160749

2016-05-13

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目

張曉昕（1986-），女，博士在讀，研究方向：環(huán)境污染控制研究。