硫酸盐还原菌复合碳源的筛选

周 磊，徐乐昌，高 洁

(核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

酸法地浸采铀是中国采铀的主要技术之一，因其采用的硫酸溶浸剂具有较强的化学活性，在浸出铀的同时，也会浸出含矿层中的其他有毒有害元素，使得地浸采场终采后的地下水组分相对复杂[1]。对已停产的737矿酸法地浸采场地下水的调查表明，其地下水除了铀(0.9～16 mg/L)、锰(0.56～7.5 mg/L)、铁(1.5～5.7 mg/L)等重金属离子含量较高外，还残留较高的硫酸根(3～4 g/L)。地下水中含量较高的硫酸根会破坏土壤结构，降低土壤肥力，并腐蚀输水系统。因此在酸法地浸采场终采后，需要对含矿层地下水进行修复，避免污染向采场外扩散。

硫酸盐还原菌需要碳源才能对硫酸根进行还原代谢反应[10]，而酸法地浸采铀地下水的COD在5～20 mg/L左右，碳源不足，利用生物法处理酸法地浸采铀地下水时需要补充碳源。目前常以乳酸盐、丙酸盐、苹果酸、乙醇、葡萄糖和柠檬酸盐等为碳源去除硫酸根，效果较理想，但价格较高[11]。所以筛选技术可行、经济合理的碳源是该技术的关键。

1 试验部分

1.1 试验原理

SRB不仅能够利用乳酸盐、乙醇等小分子有机物作为碳源，还可以利用甲酸、丙酸等小分子有机酸作为碳源。到目前为止，SRB可利用的小分子有机碳源达到100多种[14]。复合碳源是指通过厌氧发酵菌对各类有机废料(如木屑、糖蜜、树叶、污泥、秸秆等)进行酸性发酵，将有机废料中的大分子有机物(糖类、纤维素等)分解成各种小分子有机物，从而得到的发酵液。发酵液中含有N、P、K等营养元素，可以被SBR生长代谢利用。

1.2 试验材料

1.2.1 菌种

试验用硫酸盐还原菌选自青龙铀矿尾矿坝的污泥，通过富集培养和静态驯化使其能够在25 ℃、pH=4.5的条件下进行生长代谢。在该条件下，每克SBR每天可以代谢0.5 mg硫酸根。

1.2.2 培养基

进行小分子单质碳源试验时，利用农业部沼气所培养基。培养基pH=7.0，其余组分见表1。

表1 农业部沼气所培养基组分Table 1 Medium composition of biogas Institute, Ministry of Agriculture g/L

1.2.3 碳源

利用甲酸、乙酸、丙酸、乳酸、苹果酸、甲酸钠、乙酸钠、丙酸钠、乳酸钠、葡萄糖、蔗糖有机单质作为SRB碳源，进行单质碳源利用情况研究；利用玉米芯发酵液、牛粪发酵液、玉米芯和牛粪混合发酵液作为SRB的碳源，进行复合碳源筛选试验。

1.2.4 厌氧消化污泥

厌氧消化污泥取自通州污水处理厂，为了尽量减少发酵过程中乙酸的产量，将厌氧消化污泥驯化成以丙酸发酵为主的活性污泥。

1.3 试验条件

1.4 试验方法

1.4.1 玉米芯和牛粪发酵液的制作

选取干燥的玉米芯和牛粪作为发酵的原料。首先将自来水浸泡2 d后的玉米芯和牛粪分别用豆浆机打碎；然后将打碎的玉米芯和活性污泥按5∶1的比例混合，打碎的牛粪和活性污泥按3∶1的比例混合，分别装入1.5 L的厌氧发酵罐中，在30 ℃、pH=7条件下厌氧发酵15 d，发酵过程中每2 d搅拌1次；最后将发酵好的玉米芯和牛粪进行过滤，得到的清液即为发酵液。以此发酵液作为SRB的碳源进行试验研究，发酵液组分见表2。

表2 玉米芯和牛粪发酵液组分Table 2 Composition of corn cob and cow dung fermentation liquid mg/L

1.4.2 碳源筛选试验方法

在500 mL的锥形瓶中进行静态培养，通过定期分析培养液中的硫酸根浓度来研究SRB对混合碳源的利用情况。

2 试验结果与讨论

试验研究了SRB对不同单质碳源、玉米芯发酵液、牛粪发酵液、玉米芯和牛粪混合发酵液的利用情况。

2.1 SRB对不同单质碳源的利用情况

2.1.1 低分子有机酸作为SRB碳源

考察了低分子有机酸作为SRB碳源时的硫酸根去除效果，结果如图1所示。可以看出，甲酸、丙酸、乳酸、苹果酸等低分子有机酸被SRB利用充分，能够实现去除硫酸根的目的；而乙酸被SRB利用不充分，可能由于乙酸在非离解状态下对SRB有一定的毒害作用。试验表明筛选的复合碳源中应尽量减少乙酸的含量，以免复合碳源无法被SBR充分利用。

图1 低分子有机酸作为SRB碳源时对硫酸根的去除效果Fig. 1 Removal effect of SRB on with low molecular organic acids as carbon source

2.1.2 小分子脂肪酸盐作为SRB碳源

考察了小分子脂肪酸盐作为SRB碳源时的硫酸根去除效果，结果如图2所示。

图2 小分子脂肪酸盐作为SRB碳源时对硫酸根的去除效果Fig. 2 Removal effect of SRB on with small molecule fatty acid salt as carbon source

由图2可以看出，除乙酸钠外，其余的小分子脂肪酸盐都能被SRB充分利用。SRB对乳酸钠的利用速率最快，能够在较短时间内进行生长代谢，表明乳酸钠是SRB较优的碳源。SRB对乙酸钠的利用率较低(仅为20%)，这可能是由于乙酸钠体系产生的乙酸含量较高，对SRB产生了一定的毒害作用。

2.1.3 糖类作为SRB碳源

考察了糖类作为SRB碳源时的硫酸根去除效果，结果如图3所示。可以看出，SRB能够较好地利用葡萄糖，其对硫酸根的去除效果与小分子有机酸相似；而SRB对蔗糖的利用效果相对较差，在硫酸根过量的条件下，对硫酸根的去除率仅为54%。这可能是由于蔗糖的分子较大，其作为SRB的碳源时，不能够直接被利用，需要先被厌氧发酵为乳酸，再被SRB作为碳源利用，而发酵过程累积的中间产物会对SRB产生毒害作用。

图3 糖类作为SRB碳源时对硫酸根的去除效果Fig. 3 Removal effect of SRB on with carbohydrate as carbon source

由2.1.1～2.1.3不同单质碳源试验可以看出，不同的小分子有机物都可以作为SRB的碳源，只是SRB对不同碳源的利用效率有所不同。需要注意的是乙酸对SRB有毒害抑制作用，在后续筛选复合碳源时需要尽量减少乙酸作为发酵产物而产生，以提高SRB对复合碳源的利用效率。从对SRB活性与硫酸根去除效率的影响来看，乳酸钠是较优的碳源选择。

2.2 SRB对玉米芯和牛粪发酵液的利用情况

将玉米芯发酵液、牛粪发酵液和乳酸钠分别作为SRB的碳源进行对比试验，考察SRB在这几种碳源下的生长代谢情况，结果如图4所示。可以看出，玉米芯发酵液作为SRB碳源时，能够被SRB充分利用，其对硫酸根的去除效果与以乳酸钠作为碳源时相近。但利用玉米芯发酵液作为碳源时，SRB的初期生长代谢周期变长，要达到相同的硫酸根去除效果，需要更长的时间。牛粪发酵液作为SRB碳源时，SRB对其利用效果不如乳酸钠和玉米芯发酵液，在相同条件下，对硫酸根的去除率仅为62.5%；但是当利用牛粪发酵液作碳源时，SRB的生长代谢周期与乳酸钠作为碳源时相近。由此可见，玉米芯和牛粪发酵液都可以作为SRB的碳源来去除酸法地浸采铀地下水中的硫酸根。

图4 玉米芯发酵液、牛粪发酵液和乳酸钠为SRB碳源时对硫酸根的去除效果Fig. 4 Removal effect of SRB on with corn cob fermentation liquid, cow dung fermentation liquid, and sodium lactate as carbon source

试验研究发现，当SRB单独利用玉米芯发酵液作为碳源时，能够充分利用发酵液中的有机物进行生长代谢，从而达到去除硫酸根的目的；但是其生长代谢周期较长，使得SRB无法在短时间内得到快速生长代谢。而当SRB单独利用牛粪发酵液作为碳源时，SRB无法充分利用其发酵液中的有机物，但是SRB的生长代谢周期相对较短。

结合表1可知，玉米芯发酵液中的有机物为小分子有机物，有利于SRB的利用，但是微量元素N、P、K等营养物质较少；而牛粪发酵液与之相反，其含有的小分子有机物相对较少，含有的N、P、K等微量营养元素相对较多。因此，可以充分利用2种碳源各自的优势，将2种发酵液混合作为硫酸盐还原菌的碳源。

2.3 SRB对玉米芯和牛粪混合发酵液的利用情况

研究了以玉米芯和牛粪混合发酵液作为SRB碳源时，SRB对硫酸根的去除效果，玉米芯和牛粪发酵液的混合比例为5∶1、10∶1、15∶1，试验结果如图5所示。可以看出，当混合发酵液的混合比例为10∶1时，SRB的生长周期和对硫酸根的去除效果都与以乳酸钠作为碳源时相近。混合比例为10∶1的玉米芯和牛粪混合发酵液可以代替乳酸钠作为SRB的复合碳源。

图5 玉米芯和牛粪混合发酵液为SRB碳源时对硫酸根的去除效果Fig. 5 Removal effect of SRB on with corn cob and cow dung mixed fermentation liquid as carbon source

3 结论

硫酸盐还原菌可以充分利用各种小分子单质碳源(乙酸除外)。将各种有机废料发酵分解成小分子有机物后，可作为SRB的碳源，但发酵过程应尽量减少乙酸的产量。

利用混合比为10∶1的玉米芯和牛粪混合发酵液作为SRB碳源，满足SRB生长代谢的需要，该复合碳源能够被SRB充分利用。该复合碳源是利用生物法处理酸法地浸采铀地下水的理想碳源之一。