硫酸盐还原菌及其代谢途径_蔡靖
DOI:10.13774/j.cnki.kjtb.2009.04.011
第25卷第4期
科技通报
BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol.25No. 4July 2009
2009年7月
硫酸盐还原菌及其代谢途径
蔡
靖，郑
平*，张
蕾
（浙江大学环境工程系，杭州310029）
摘要：硫酸盐还原菌（sulfate -reducing bacteria ，简称SRB ）是一类能够以硫酸盐等氧化态硫化物作为
电子受体的厌氧微生物。已分离研究的SRB 有18个属近40多个种。由于硫酸盐还原在环境污染与防治中的独特作用，对硫酸盐还原菌及其代谢途径的研究渐趋广泛而深入。发掘新的硫酸盐还原菌，揭示硫酸盐还原过程，将推动生物脱硫技术的研发。关键词：硫酸盐还原菌；污染防治；生物脱硫中图分类号：Q935
文献标识码：A
文章编号：1001-7119（2009）04-0427-05
Sulfate -reducing Bacteria and Their Metabolic Pathway
CAI Jing ，ZHENG Ping *，ZHANG Lei
（Department of Environmental Engineering ，Zhejiang University ，Hangzhou 310029，China ）
Abstract ：The biological sulfate reduction process is mediated by a group of microorganism known as sulfate -reducing bacteria （SRB ），which includes 18genus and over 40species. This paper discussed the metabolic pathway of SRB ，in or -der to know how it works in the wastewater treatment particularly and promote it to be used in the wastewater treatment further.
Key words ：sulfate -reducing bacteria （SRB ）；pollution control ；biological desulfurization
在诸如发酵、化工、制药（农药和医药）等许多行业，所排放的废水中，不仅含有高浓度有机污染物，而且含有高浓度硫酸盐［1］。以味精发酵行业为例，其离交尾液COD 浓度高达30000～70000mg ／L ，
及人类健康。对于高硫酸盐有机废水的处理，生物技术以其经济有效性而受到环境工程界的关注。在厌氧条件下，硫酸盐还原菌能使有机物矿化，同时将硫酸盐还原成硫化物，并经硫化作用而氧化成单质硫。研究硫酸盐还原菌及其代谢途径，将有利于硫酸盐还原菌的开发和应用。
SO 2-4浓度高达8000～9000mg ／L 。每年全国排放这类废水1500万吨以上［2］，若任意排放，将危害生态环境
收稿日期：2008-04-14
基金项目：国家863项目（2006AA06Z332）、浙江省重大科技攻关项目（2003C13005）作者简介：蔡靖（1984-），女，浙江温州人，在读博士生，研究方向为废水生物处理及资源化
*通讯作者：E-mail ：[email protected]
428
科技通报第25卷
外，也有一些SRB 将中间产物积累于体内。虽然脱
1
硫酸盐还原菌
硫酸盐还原菌（sulfate -reducing bacteria ，简称
硫弧菌（Desulfovibrio desulfuricans ）可以分泌少量亚硫酸盐或硫代硫酸盐，但并不能证明它就是硫代谢过程中的直接中间产物。根据现有的文献资料，硫酸盐还原的主要过程为硫酸盐运输、硫酸盐激活、APS 还原以及亚硫酸盐还原四步。
SRB ）是一类能把硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐、
单硫还原为硫化物的微生物［9］。这类微生物可分为自养型和异养型二大类型。异养型硫酸盐还原菌通常是严格厌氧菌［10］。
已分离研究的SRB 有18个属近40多个种［11］。在废水处理系统中，常见的SRB 有9个属，主要为脱硫弧菌属（Desulfovibrio ）和脱硫肠状菌属（Desulfo -
3.1硫酸盐的运输
催化硫酸盐还原的酶位于细胞质内或位于细
胞膜上，硫酸盐只有进入细胞才能被还原。对脱硫弧菌属（Desulfovibrio ）、脱硫叶菌（Desulfobulbus
tomaculum ）。前者不产生孢子，一般呈中温或低温性，超过43℃时致死；后者产生孢子，呈中温或高温
性。根据所利用的底物，可将废水处理系统中的
propionicus ）及脱硫球菌（Desulfococcus multivo -rans ）所做的研究发现，硫酸盐的摄取与质子梯度
的驱动有关。在细胞悬浮液中添加硫酸盐，会瞬间引起pH 变化，表明硫酸盐运输与质子运输同步进行。在中度嗜盐菌（如脱硫弧菌、脱硫球菌）中，硫酸盐的运输则与钠离子梯度的驱动有关。在硫酸盐浓度限制的恒化器中，硫酸盐的运输一般与三个质子或钠离子的运输同时进行，蓄积系数高达103～104。若提高培养基中的硫酸盐浓度，这种硫酸盐蓄积高的运输系统不再发挥作用，由硫酸盐蓄积低的运输系统取而代之，蓄积系数也降至102以下，这可避免细胞蓄积大量硫酸盐而造成毒害。在硫酸盐蓄积低的运输系统中，硫酸盐的运输与两个氢质子或钠离子的运输同时进行。若处于硫酸盐浓度较高的环境（如海水）中，细胞会自动调节，进一步削弱硫酸盐蓄积低的运输系统的功能，以防硫酸盐过量蓄积。
SRB 分为三类［12，13］：一类是氢营养型硫酸盐还原菌（HSRB ）；一类是乙酸营养型硫酸盐还原菌（AS -RB ）；还有一类是高级脂肪酸营养型硫酸盐还原菌
（FASRB ）。也有根据rRNA 测序分析，将能够利用硫酸盐的硫酸盐还原菌分为革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、嗜热细菌和嗜热古细菌［14］。
SRB 生活能力很强。某些种可以在-5℃以下生
长，某些种可以产生芽孢而能耐受80℃高温，大多数中温性SBR 的最适生长温度为28～38℃，最高生长温度为45℃［15］。SBR 的生存pH 为5～9.5，最适生长
pH 为7.0～7.8［16］。一些SRB 呈现嗜盐性，可生活于高
盐环境（如盐湖、死海）中。已分离的嗜盐性SRB 大多数是轻度嗜盐菌，适宜生长的盐度范围为1%～4
3.2硫酸盐的激活
硫酸盐的化学性质稳定，不易被还原。SO 2-4／
%；中度嗜盐性SRB 为数不多，适宜生长的盐度为10%左右［17］。SRB 的生长Eh 低于-150mV ［18］。异养型SRB 的基质谱较宽，可以利用多种有机物质。
硫酸盐可以促进SRB 生长，但并非为SRB 所必需。在缺乏硫酸盐的环境中，SRB 营发酵生长；在富含硫酸盐的环境中，SRB 营硫酸盐呼吸，即以SO 2-4为电子受体氧化有机物，并从中获得能量，维持生命活动［19］。
SO 2-3的氧化还原电位为－0.516V ，低于大部分分解
代谢产物的氧化还原电位，硫酸盐不能直接从代谢产物接受电子。在硫酸盐还原前，需在硫酸腺苷转移酶的作用下，以消耗ATP 为代价激活硫酸盐，使之生成腺嘌呤磷酰硫酸盐（APS ，Adenosine phos -
phosulphate ）。APS 是一种较强的氧化剂，APS 2-／
2－2-（AMP 2-+SO2-3）氧化还原电位比SO 4／SO 3高420mV 。
无论是同化作用还是异化作用，APS 都是必要的中
间产物。
硫酸盐激活反应不易进行（Keq 约10-8），但反应生成的焦磷酸可被继续水解，并由此拉动这个激活反应，反应如下：
+
SO 2-4+ATP +2H →APS +PPi PPi ＋H 2O →2Pi
+
总反应SO 2-+H 2O →APS +4+ATP +2H
2
硫酸盐还原途径［11，20~24］
硫酸盐至硫化氢的还原过程由一系列酶促反
应组成。在这个序列酶促反应中，硫得到8个电子，产生多个中间产物。硫既能与氢、碳、氧等元素键合，也能形成硫硫键。低于六价时，高价态含硫化合物十分活泼，室温下即可自然氧化。因此分析这些中间产物非常困难。一些SRB 可将中间产物排出体
2Pi
第4期蔡靖等. 硫酸盐还原菌及其代谢途径429
然而，焦磷酸酶需由环境中的还原剂活化，一旦环境转变为好氧环境，焦磷酸酶就会失活。各种
的真正前体。因此，亚硫酸盐还原酶是酸性亚硫酸盐还原酶。
亚硫酸盐至硫化氢的还原反应涉及6个电子转移。
-+
SO 2-3+6e +8H →H 2S +6H 2O
SRB 的焦磷酸酶活性各不相同，脱硫弧菌、脱硫叶
菌、Desulfosporosinus orientis 的焦磷酸酶活性较高，脱硫肠状菌属（Desulfotomaculum ）的焦磷酸酶活性则较低。早期有人认为，脱硫肠状菌的焦磷酸盐可以参与ADP 的间接磷酸化。假定硫酸盐、ATP 浓度为10－3mol ，产生的APS 浓度低于0.1μM 。这表明只有清除还原产生的APS ，才能保证反应持续进行。
在异化或同化型亚硫酸盐还原酶的活性中心，存在两个金属辅基、还原卟啉，siroheme （一种修饰过的原血红素）、铁硫簇（［F e S ］）。金属辅基可将电子传递给基质。siroheme 为独特的血红素，多为褐色，能催化亚硫酸盐生成硫化氢。异化亚型硫酸盐还原酶一般呈α2β2四聚体结构，但在脱硫弧菌的亚硫酸盐还原酶———脱磺基绿胶霉素（desulfoviridin ）中，已观察到第三种类型的亚基（γ），暗示这种亚硫酸盐还原酶的结构可能为六聚体（α2β2γ2）。异化型硫酸盐还原酶的分子量在145～225Da 之间。
亚硫酸盐至硫化氢的还原途径可能为：（1）三个连续的双电子传递，形成连三硫酸盐和硫代硫酸
2-2-2-盐（3SO 2-3→S 3O 6→S 2O 3→S ）；（2）直接失去6个电
APS 的还原
在APS 还原酶的作用下，产生的APS 继续转化成亚硫酸盐和磷酸腺苷（AMP ）。APS ／（SO 23－+AMP ）氧化还原电位为－60mV ，由于APS 浓度较低，实际氧化还原电位低于－60mV 。
APS +2e -→SO 2-3+AMP
所有APS 还原酶皆为寡聚铁硫黄素蛋白（Mr 220，000），含有一分子黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD ）和12个铁硫簇，呈异二聚体结构（αβ），总分子量为95kD 。α亚基携带一个FAD ，β亚基容纳两个［4Fe-4S ］中心。
对于APS 异化还原为亚硫酸盐的过程，目前有两种假设：（1）α亚基中的FAD 是活性中心。通过N 原子的亲核攻击，APS 与还原态FADH 2反应，释放出AMP 和FADH 2-亚硫酸盐加合物。在此过程中，FAOH 2-亚硫酸盐加合物是必要的中间产物。（2）活性中心的硫醇基团R -S 亲核攻击APS 的硫原子，导致S -O -P 键的断裂，释放出磷酸腺苷（AMP ），形成硫代磺酸盐（R -SSO －3），接着硫代磺酸盐释放亚硫酸盐，重新恢复活性中心的硫醇基团。在APS 同化还原为亚硫酸盐的过程中，APS 会再被加上一个磷酸而形成3′-磷酸腺苷-5′-磷酰硫酸（PAPS ）。PAPS 被NADPH 2还原而分解成亚硫酸盐和3′-磷酸-AMP 。
目前，对细胞内用于还原APS 的电子供体还不太清楚。已分离的黄素单核苷酸蛋白不能用O 2氧化NADH ，并产生H 2O 2，但可用NADH 作为电子受体，还原APS 。
3.4亚硫酸盐的还原3.3
亚硫酸盐或酸性亚硫酸盐（互变异构体［：
子，并不形成上述中间产物，称为协调6电子反应，
-+2-即SO 2-+3H 2O 。3+6e +6H →S
在体外进行亚硫酸盐还原试验中，以甲基或苯甲基作为人工电子供体，能够检测出连三硫酸盐和硫代硫酸盐，以及亚硫酸盐的还原产物硫化氢。所形成的连三硫酸盐和硫代硫酸盐浓度与硫化氢相近。已检测出连三硫酸盐还原酶，纯化的脱磺基绿胶霉素可以利用联二-N -甲基吡啶（methylviolo -
gen ），把亚硫酸盐还原为连三硫酸盐。
三硫酸盐。化学反应如下：
35
S 示踪试验
证明，形成硫代硫酸盐的硫来自酸性亚硫酸盐和连
35-2-352-H 35SO -+2e -→［O 35+3+［O 3S S SO 3］3S S ］
2-HSO -3+SO 3
从脱硫弧菌中分离纯化的连三硫酸盐还原系统，可以黄素氧还蛋白作为电子供体，将连三硫酸盐和亚硫酸盐转化为硫代硫酸盐。但这个途径仍有争议，即上述反应可能是副反应，或只是在体外占主导地位。若这是由相对较高的酸性亚硫酸盐浓度造成的，并且在室温下酸性亚硫酸盐可直接生成硫化氢，则在低pH 条件下，酸性亚硫酸盐和硫化氢可以经化学反应生成硫代硫酸盐。假使在体外条件下，某种特定蛋白可以推动上述反应，那么生成的硫化氢就不会积累，而会生成上述含硫氧化物连三硫酸盐和硫代硫酸盐。连三硫酸盐酶和硫代硫酸盐还原酶可以利用环境中的基质或是直接利用酸性亚硫酸盐还原产生的副产物。在外加亚硫酸盐基质
SO 2O -H ］-和［H -SO 2O ：］-）的分子结构呈金字塔型，
其中硫原子有自由电子对，化学性质比硫酸盐活泼。在pH 约为7.0的条件下，解离平衡以亚硫酸盐为主（pK a2=6.99）。亚硫酸盐还原无需ATP 进一步活化。早期文献报道，酸性亚硫酸盐是还原为硫化氢
430
科技通报第25卷
的情况下，环境中可以检测出低浓度硫代硫酸盐，这可解释为硫代硫酸盐还原的逆反应副产物。
在同化代谢中，亚硫酸盐还原酶产生的硫化氢被合成含硫氨基酸半胱氨酸。蛋氨酸和一些辅酶则从半胱氨酸中获取硫元素。与异化型亚硫酸盐还原酶不同，同化型亚硫酸盐还原酶不会在体外形成连三硫酸盐或硫代硫酸盐，它极有可能直接通过得到
中的其它微生物之间的相互关系还有待探明，这样才能充分发挥处理工艺的效率。
目前掀起了利用分子生物学手段研究环境微生物生态学的热潮，如荧光原位杂交（fluorescent in
situ hybridization ，FISH ）、DNA 多态性技术、PCR
（polymerase chain reaction ）及其相关技术等［25］。这些技术可在不破坏生态系统原始状态的情况下，准确探明微生物在生态系统中的空间分布，并发现未知种属。这些研究方法引入到SRB 生态学的研究中，发掘新的硫酸盐还原菌，揭示硫酸盐还原过程，将有助于生物脱硫技术的研发。参考文献：
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6个电子而直接生成硫化氢。从脱硫弧菌中分离的
同化型亚硫酸盐还原酶仅有一个多肽，不形成多聚体蛋白，每个分子仅有一个siroheme 和［F e S ］簇。在协同6电子反应中，假设亚硫酸盐的硫原子与siro -
heme 的二价铁结合，提供两个电子为S -O 键中氧原
子的质子化作准备。通过多次提供两个电子和随后的质子化作用，氧原子逐步从硫原子上脱离下来，硫原子被还原成硫化氢。在还原过程中，电子通过
siroheme 从［F e S ］簇转移到亚硫酸盐。
整个硫酸盐还原过程如图1所示。
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4
结论与展望
由于硫酸盐还原在环境污染与防治中的独特
作用，对硫酸盐还原菌及其代谢途径的研究渐趋广泛而深入。目前，硫酸盐还原菌已应用于酸性矿山废水、含重金属离子工业废水、有机废水等废水的处理中，并且有多种处理新工艺正在研究开发中，如单相吹脱工艺、两相厌氧工艺。但这些工艺在实际应用之前还有大量研究工作有待完成, 如生物反应器中SRB 的生长及代谢规律以及SRB 与生态系
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图1硫酸盐还原途径
Fig. 1the pathway of sulfate reduction
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