细菌对无机硫化物的降解特性和培养条件优化

摘要：畜禽屠宰加工、鱼粉饲料加工等一些食品工业生产过程中会释放出大量的硫化氢恶臭气体，导致周边环境的严重污染。为实现以培养异养型细菌脱除硫化氢气体的目的，取分离到的异养脱硫细菌XJ-2，通过诱变筛选得到一株高效脱硫菌株ZJNB-B3，其脱硫率达97%。

基于形态学研究、API 50 CHB生理生化鉴定及16S rRNA基因测序，鉴定该菌为蜡状芽胞杆菌Bacillus cereus ZJNB-B3。该菌GenBank登录号为MF679650。降解特性研究表明，ZJNB-B3菌株对有毒的硫化物有较高耐受性，耐受上限高达300 mg/L。

采用响应面法优化环境因素对菌株降解硫化物效率的影响，得到在最适培养温度30 ℃下，初始S2–浓度为211.8 mg/L、初始pH值6.72、接种量为5.04%时，菌株氧化脱硫效果最显著，经过实测在48 h产生的硫酸盐浓度为63.8 mg/L，脱硫率达97.3%。菌株在氧化硫化物时不会产生硫酸抑制菌株的生长，可以在pH值温和的环境条件下脱硫，因此，该菌有较高的工业应用价值。本研究为异养型细菌应用于工业反应器脱除硫化氢恶臭气体提供了小试研究基础。

大气污染、恶臭、噪声、水质污染、振动、土壤污染、地基下沉是七大典型公害，恶臭物质居于第二，它包括挥发性无机物(Volatile inorganic compounds，VIC)和有机物(Volatile organic compounds，VOC)。目前，以人类的嗅觉能够感知的恶臭物质有4 000多种，其中有50多种对人类的危害较大，主要是硫化氢、氨、硫醇类、二甲基硫醚、三甲胺、醛类、苯类和酚类等。

硫化氢是硫系恶臭成分中最常见的恶臭气体，主要来自于污水处理设施、石油炼制、堆肥、畜禽屠宰、鱼粉饲料加工、制革和造纸等工农业生产排放的废气，其臭阈值很低，约为0.001 43 mg/m3，微量浓度的H2S就具有强烈的恶臭气味。

H2S气体无色，对人体有剧毒，低浓度中毒对眼睛和呼吸系统有强烈的刺激和腐蚀作用，重度中毒造成中枢神经系统、心脏、肺细胞损害，出现呼吸、心跳骤停，发生闪电型死亡。它会引起金属和设备腐蚀，在空气中容易被氧化成SO2，对生态环境产生酸雨和致毒效应。

恶臭污染物治理难度较大，物理法、化学法对于此种污染的处理存在效率低、能耗高的缺点，废气达标排放较难。目前在国内外生物法脱臭已成为主流方法，具有除臭率高、无二次污染、所需设备简单、运转成本低及废气经过处理可以达标排放等优点。其原理是利用微生物的生理代谢活动来降解恶臭物质，将其转化为无异味、对环境无害的产物，从而达到除臭目的。

无机硫和其化合物在自然界中分布范围很广，能以30多种不同的离子或分子形式存在，仅有5种无机硫化物在室温和一个大气压下在溶液中具有稳定性，它们是SO42–、HSO4–、S0、H2S、HS–。其他形式的硫例如多硫化合物、硫代硫酸盐和连多硫酸盐则是不稳定的。

自然界中能氧化无机硫化物的细菌种类很多，大部分是光合硫细菌和化能自养型细菌，目前工业上用于脱除硫化氢的微生物主要是自养型硫杆菌属细菌Thiobacillus sp.，此类细菌对硫化氢的转化途径较简单，普遍是利用还原态的硫化物作为能源，将硫转化为单质硫、硫酸或者硫酸盐等物质，其催化的硫素转化途径为：S2–→S0→SO32–→SO42–。

王帆等在有臭味的污泥中筛选到一株氧化亚铁硫杆菌，降解硫化物的最大量为1 290.3 mg/L。伍永钢等以自养菌应用到生物滴滤床净化H2S气体，去除率稳定在95%以上。钱东升等用板式生物滴滤塔净化硫化氢的研究表明净化也主要由自养菌完成。然而自养型硫氧化细菌进行硫化物的去除存在一些缺点：1)有些菌种在氧化硫化物的同时产生硫酸，会抑制菌体活性，大量产酸还会导致菌体自溶，降低除硫速率；2)有些需要加入碱进行中和，增加了处理成本。

本研究团队承担了鱼粉饲料加工、畜禽屠宰加工恶臭废气生物法处理工程的科研项目，鱼粉加工废气除含有硫化氢、氨气无机污染物，还含有高浓度三甲胺、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫等有机恶臭污染物。屠宰加工废气除含有硫化氢、氨气，还含有反复回用融化食品级脱毛石蜡和松香的高温挥发有机成分，自养菌难以在含有机成分混合废气的环境中生长。

此外，将废气与车间中的空气引入工业生物滴滤塔的离心机风量高达4×104 m3/h，反应器内需要使用好氧的异养型微生物，因此筛选具有脱除硫化氢气体功能的异养菌具有重要意义。

目前国内外关于能够高效去除无机硫化物的异养型脱硫微生物的降解特性基础研究鲜有报道。本团队在前期工作中已经筛选出一株具有高效脱硫功能的异养型真核微生物热带假丝酵母菌ZJY-7。

为实现以异养型细菌脱除硫化氢气体之目的，本研究又选育出一株比较容易培养、在自然环境下能够高效脱硫的异养型细菌蜡状芽胞杆菌，对其降解硫化物的生理特性进行了考察，并采用响应面法优化菌株的脱硫工艺参数，为今后将该细菌应用到工业生物滴滤塔反应器脱除H2S废气奠定小试研究基础。