微生物硫酸盐还原是在环境生物技术中具有重要意义的过程。硫化反应器的成功运行在很大程度上取决于污泥的微生物组成。本文介绍了一种利用热液喷口沉积物在上流式厌氧污泥床(UASB)反应器中培养硫化污泥以实现还原性脱氯的实验方案。
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微生物硫酸盐还原是在环境生物技术中具有重要意义的过程。硫化反应器的成功运行在很大程度上取决于污泥的微生物组成。本文介绍了一种利用热液喷口沉积物在上流式厌氧污泥床(UASB)反应器中培养硫化污泥以实现还原性脱氯的实验方案。
微生物硫酸盐还原的重要性在于其在环境生物技术中的多种应用。工程化的硫酸盐还原被用于工业废水处理,以去除高浓度的硫酸盐,同时降低化学需氧量(COD)和重金属含量。该过程最常用的方法是采用厌氧生物反应器,通过将主要为产甲烷的颗粒污泥逐步适应为产硫化物污泥来获得硫化物生成污泥。这一过程可能耗时较长,且由于污泥中仍存在产甲烷菌,无法完全消除对底物的竞争。在本研究中,我们提出一种获取产硫化物污泥的新方法,以热液喷口沉积物作为微生物的原始来源。在硫酸盐和挥发性脂肪酸共存条件下发育形成的微生物群落具有足够的多样性,能够长期维持硫酸盐还原活性,且不会因硫化物积累而受到抑制。
本方案描述了在上流式厌氧污泥床(UASB)反应器中,利用沉积物生成污泥的方法。此外,本方案还介绍了利用该污泥通过还原脱氯作用去除高毒性有机污染物三氯乙烯(TCE)的实验方法。本方案分为三个阶段:(1)在UASB反应器中形成污泥并测定其硫酸盐还原活性;(2)利用污泥去除TCE的实验;(3)在TCE还原完成后对污泥中微生物的鉴定。尽管本例中沉积物采自墨西哥某地,但采用本方法生成产硫污泥时,也可使用其他来源的沉积物,因为海洋沉积物是微生物的天然储库,其中可能富集硫酸盐还原菌。
环境生物技术领域最重要的贡献之一是设计出能够在硫酸盐还原条件下运行的生物反应器,并利用污泥(接种物)实现这一过程。硫酸盐还原(SR)能够处理含有高浓度硫酸盐的废水,同时去除化学需氧量(COD)、重金属和有机污染物,这使得SR成为污泥的理想特性1。含有硫酸盐污染的出水实例来自制革、造纸、制药和化工制造等行业1。然而,大多数文献中所提及的产硫化物污泥,通常是指将产甲烷颗粒污泥适应于产硫化物过程而获得的污泥2。这种适应通常通过调节生物反应器中的COD/SO42-比值并添加化学物质抑制污泥中的产甲烷菌来实现2,3。除了产硫化物颗粒形成所需时间较长外,产甲烷菌与硫酸盐还原菌之间的竞争,以及污泥对高浓度硫化物的耐受性,都是当使用以产甲烷为主的污泥经适应获得产硫化物污泥时可能面临的主要问题。在本研究中,我们描述了从墨西哥纳亚里特州蓬塔米塔(Punta Mita, Nayarit, Mexico)热液喷口沉积物中,在上流式厌氧污泥床反应器(UASB)中获取以产硫化物为主的污泥的方法,随后评估其随时间变化的硫酸盐还原活性,并开展实验以评价其在还原性脱氯中的应用潜力。选择该沉积物采样地点的原因是已有报道指出,该区域由于栖息微生物群落表现出的硫酸盐还原活性,能够生成硫化物4。
与将产甲烷颗粒污泥驯化为产硫化物污泥相比,从沉积物中获取这种产硫化物污泥具有若干优势。这些优势包括:(1)反应器运行无需形成颗粒;(2)与其他使用驯化后产甲烷污泥运行的UASB反应器相比,该污泥对相对较高浓度的硫化物具有耐受性;(3)即使在培养基中添加的挥发性脂肪酸混合物中含有乙酸盐,也不会与产甲烷菌发生底物竞争。
采用本方案旨在促进硫化物生成,因为海洋沉积物是多种微生物的天然来源,例如硫酸盐还原菌、发酵菌和脱卤菌等5,6。通过本方案从海洋沉积物中富集形成的微生物群落,可能表现出高效的硫酸盐还原能力,从而在长时间内维持较高的硫酸盐还原活性,并对高于甲烷菌和硫酸盐还原菌毒害阈值浓度的硫化物具有更强的耐受性。另一方面,按照本方案操作,沉积物中也可能展现出脱卤能力,但这可能取决于原始的微生物群落结构。这一推断基于以下事实:还原性脱氯过程可通过呼吸作用或共代谢发生,而这两种条件均可能在海洋微生物群落中得以促进7。为获得污泥而对沉积物进行培养时,采用乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐的混合物作为底物,因为这些挥发性脂肪酸可被多种硫酸盐还原菌菌株利用。此外,根据文献中关于海洋沉积物中碳质物质的多篇报道,这些酸类也是海洋沉积物中常见类型的碳化合物5,6。
最后,全球地下水及其他水体中发现的毒性最强的化合物之一是氯化溶剂,例如三氯乙烯(TCE)或四氯乙烯(PCE)。这些化合物不仅对人类有毒,而且对微生物也有毒性,尤其是TCE,至今仍被美国环境保护署列为优先控制污染物8。在本研究中,我们设计了一项实验,用于检测硫化盐还原污泥在甲烷生成条件下报道的氯化物生物降解浓度范围内还原TCE的能力9,10。需要指出的是,目前大多数关于氯化物生物降解的研究均在甲烷生成条件下进行9,10。我们认为,本方案中提出的TCE实验很好地展示了该污泥的潜在应用价值。本实验旨在评估污泥对TCE的耐受性以及TCE对硫酸盐还原活性的影响。鉴于大多数氯化物生物降解研究均在甲烷生成条件下开展,本方案提出所培养的污泥可能实现以下三种功能的同时去除:(1)去除硫酸盐,(2)去除化学需氧量(COD),(3)去除氯化物。下一步可进一步评估该污泥在同时去除TCE和重金属(以及硫酸盐和COD)方面的性能,而后者两种污染物的共存条件在甲烷生成条件下无法实现有效处理。
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图1. 实验方案步骤示意图。 请点击此处查看此图的放大版本。
1. 收集海洋沉积物以制备污泥

图2. 沉积物样品的照片。(A) 刚采集后的沉积物样品。(B) 通过筛网后的沉积物样品。(C) 用于称重的样品,以进行挥发性悬浮固体(VSS)测定。培养皿无需灭菌。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 生物反应器设置

图3. 硫酸盐还原与挥发性脂肪酸(乙酸、丙酸和丁酸)的化学计量关系。 请点击此处查看此图的放大版本。

图4. UASB反应器。 (A) 初始时间。(B) 运行300天后的连续运行状态。请点击此处查看此图的放大版本。
3. 运行反应器以促进硫化作用及微生物生长
注意:需使接种物充分消耗挥发性脂肪酸和硫酸盐。为此,需等待一周后进行首次硫酸盐、硫化物和化学需氧量(COD)消耗的分析。
4. 硫酸盐还原活性测试

SRA = 硫酸盐还原活性(mg COD-H2S)/gVSS*d
m H2S = 以 mg COD-H2S 表示的硫化物浓度
VSS = 挥发性悬浮物浓度
t = 时间(d 或 hr)
5. 三氯乙烯(TCE)还原试验


6. 三氯乙烯还原实验后的硫酸盐还原活性测试
7. 微生物的鉴定
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生物反应器中硫酸盐还原的典型行为如图5所示。需要注意的是,在运行的最初几周,硫酸盐还原速度较慢。尽管如此,随着时间推移,超过90%的硫酸盐被消耗,表明接种物正在形成能够还原硫酸盐的微生物群落,因而富集了硫酸盐还原菌。图中不同的阶段表明,硫酸盐还原速率随时间逐渐提高。在初期,批次反应需要20天才能完成硫酸盐的还原(阶段I);随后还原速率加快,大约需要10天即可还原所投加的硫酸盐(阶段II)。阶段III中硫酸盐还原的波动较小,平均耗时约10天,如图5所示。在此之后,硫酸盐还原平均仅需4天(阶段IV);而在阶段V中,4,000 mg/L的硫酸盐在不到24小时内即被完全消耗。在运行200天后,生物反应器在水力停留时间(HRT)为24小时的条件下转为连续运行模式。

图5. 生物反应器中产硫化物污泥形成过程中随时间变化的硫酸盐(SO4<...
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硫化作用在环境生物技术中有多种应用,其中最常用的应用之一是硫酸盐还原菌与发酵菌共培养代谢,用于废水处理。上流式厌氧污泥床(UASB)反应器是处理高硫酸盐浓度工业废水的主要工程化方法之一。本文介绍了一种从海洋沉积物中在UASB反应器内获取硫化产泥的实验方案。从海洋沉积物中获得硫化产泥的关键步骤包括:(1)促进待装入反应器的沉积物样品的均质化;(2)提供适宜浓度的硫酸盐和挥发性脂肪酸(COD/SO42-)比例;(3)定期检测硫酸盐、硫化物、化学需氧量(COD)和pH值;(4)每次启动新批次时更换含有微量元素和维生素的基础培养基。需要注意的是,污泥的发育在很大程度上依赖于原始样品中的微生物群落结构以及准确的物料平衡(硫酸盐和COD)。尽管硫酸盐还原活性的建立需要一定时间,但生物反应器需持续监控,以避免泄漏、事故或临时断电导致循环泵停止运行或温度控制失效。在进行硫化物、硫酸盐和COD分析时必须格外注意操作的准确性。
海洋沉积物通常是多种微生物的天然来源;从不同深度采集的海洋沉积物可能形成污泥。本方案选择使用海底热液沉积物,主要有两个原因:(1)这...
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作者 Selene Montserrat García-Solares、Claudio Garibay-Orijel 和 Claudia Guerrero Barajas 于 2012 年作为发明人提交了名为“一种用于处理高硫酸盐和含氯化合物工业废水的厌氧处理工艺”的专利申请。该申请已通过形式审查阶段。该专利申请的权利人为墨西哥国立理工学院(Instituto Politécnico Nacional)。
作者感谢墨西哥国立理工学院(Instituto Politécnico Nacional)提供的经费支持,项目编号为 20120110、20130399 和 20140239 SIP,同时也感谢墨西哥联邦区科学与技术研究所(Instituto de Ciencia y Tecnología del Distrito Federal México)提供的资助(项目编号 PICS 08-79,ICYT-DF,2009–2012)。此外,感谢墨西哥国家科学技术委员会(CONACYT – México)为 Selene Montserrat García-Solares 提供的研究生奖学金(编号 225806)以及项目编号 82627 的经费支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 三氯乙烯 | sigma Aldrich | 251402 | |
| cis-1,2-二氯乙烯 | sigma Aldrich | ||
| trans-1,2-二氯乙烯 | sigma Aldrich | D-62209 | |
| 氯乙烯scotty标准品 | supelco | 氮气中1,000 ppm v/v | |
| 乙烯scotty标准品 | supelco | 纯度99% | |
| 泵 | Masterflex | 型号 7553-75 | |
| 分光光度计 | 任意 | ||
| 微量离心机 | 任意 | ||
| 气密性注射器 | 任意 | 100 和 200 微升 | |
| UASB玻璃反应器 | 任意 | 正在设计中 | |
| 气相色谱仪 | 任意 | FID检测器 | |
| 毛细管色谱柱 SPB-624 | supelco | ||
| pH计 | 任意 | ||
| 氟橡胶管 | Masterflex | ||
| 基础培养基试剂 | 任意 | ||
| 微量元素试剂 | 任意 | ||
| 维生素溶液试剂 | 任意 | ||
| 硫酸钠 | 任意 | ||
| 挥发性脂肪酸 | 任意 | ||
| 化学需氧量(COD)测定试剂盒 | HACH | 测定范围 0–15,000 mg/L | |
| TOPO-TA克隆试剂盒 pCR®4.0 | Invitrogen, US | ||
| S.N.A.P. TM Miniprep试剂盒 | Invitrogen, UK | ||
| Pure link TM Quick Plasmid Miniprep试剂盒 | Invitrogen |
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