酸性煤矸石山中氧化亚铁硫杆菌的杀菌剂研究现状

徐晶晶,胡振琪,赵艳玲,位蓓蕾

(中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083)

煤炭开采和加工过程中会产生大量煤矸石，一般占原煤的10%～20%，目前我国工业固体废弃物累积堆存已超过100亿t，但综合利用率只有约30%～40%。矸石山的堆积严重破坏了周边环境，其自燃和滑坡等灾害产生更是令当地居民谈之色变。煤矸石中含有大量硫化物，它们以黄铁矿(FeS2)的形式赋存。矸石山内部的热量逐渐积累，当温度达到临界燃烧点时，在通风环境下和微生物的催化作用下，会发生自燃。自燃的煤矸石山排放出大量的SO2、CO2、CO、H2S等有害气体与烟尘，破坏周围植物生长基质，使矿区寸草不生，严重影响矿区及矿区周边的水质、土壤和空气，其含有的大量重金属更是加剧威胁人类的健康[1]。

硫化物的氧化反应是在嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A.f菌)的生物催化作用下进行的，并且其催化氧化作用使化学反应速率提高到106倍[2]。氧化亚铁硫杆菌[3]是一种嗜酸的专性好氧革兰氏阴性菌，属于原核生物，适宜在pH为2.3，温度为30～35℃的环境中生存，水生性强，直径约为0.5μm，长约1.2～1.5μm，有细胞壁和鞭毛，形态呈杆状，能游动，细胞内接近中性，细菌生长周期为6～10d，菌落为黑色，直径约0.5mm。

氧化亚铁硫杆菌在酸性煤矸石中的能量来源为亚铁离子和还原硫化物，主要是通过以下两种途径进行催化作用[4-8]。

4FeS2+15O2+2H2O=2Fe2(SO4)3+2H2SO4

FeS2+2Fe3+=3Fe2++2S↓

A.f菌将以上作用生成的S和Fe2+氧化为H2SO4和Fe2(SO4)3，其过程为

4FeSO4+O2+2H2SO4=2Fe2(SO4)3+2H2O

2S+3O2+2H2O=2H2SO4

氧化亚铁硫杆菌在催化氧化的同时，不断产生新能源，来完成对煤矸石的氧化，最终导致矿物的分解,矿山酸性排水加强了铁和硫氧化细菌氧化亚铁硫杆菌的活性，煤炭和地层中的黄铁矿材料的氧化大大加快了产酸反应。因此，氧化亚铁硫杆菌对煤矸石的酸化污染和自燃起着至关重要的作用，抑制氧化亚铁硫杆菌的活性对控制酸性自燃煤矸石山有着十分重要的意义，不但有助于减少黄铁矿的氧化和酸性废水的产生，还有助于酸性煤矸石山的植被恢复。

1 A.f菌杀菌剂的研究现状

1.1 国外研究现状

通过抑制A.f菌的活性来控制煤矸石山酸性污染这一方法是Leathen等人[11]在1953年最早提出的。后来陆续有学者发现，A.f菌只是暂时被抑制，随后便会迅速再生。Hugo,W.B.[12]在1967年发现洗涤剂能够改变氧化亚铁硫杆菌的细胞质膜的半透性能，1985年Andrew A 等人[9]总结了酸性煤矸石山中氧化亚铁硫杆菌的缓释杀菌剂，并分析了三个阶段的产酸机制。近年来，有很多学者对阴离子表面活性剂(anionic urface-tants)和食品防腐剂等对环境危害小的杀菌剂产生了兴趣。例如，Kleinmann等人[13-18]研究了十二烷基硫酸钠(SLS)、苯甲酸、烷基苯磺酸钠以及山梨酸的抑制效果，发现在这些抑制剂中，十二烷基硫酸钠的杀菌效果是最好的。1970年，Rao G.S[19]通过实验证明，在低pH值环境下将丙酮酸作为A.f菌抑制剂可以迅速使其累积在细胞中从而停止硫的氧化。

2007年，Sand等人[10]总结了6年来浸矿细菌和金属硫化物氧化缓解措施长期影响的可用信息和相关结果，认为SLS只是短暂的降低了浸矿细菌的数量和活性，异噻唑啉酮和覆盖矿山废物的有机材料和粉煤灰在一定程度上起到了杀灭A.f菌的效果。同年，Pagnanelli等人[20]通过加入石灰石(抑制pH值的升高)和橄榄果渣油(抑制A.f菌)进行了批次试验，细胞生长的实验数据表示为较强的抑制作用。

前人的大量长期研究结果表明，若单一采用杀菌剂技术来实现原位控制酸性煤矸石山污染，效果是很不理想的。1981年，Kleinmann[21]将表面活性剂纳入橡胶包膜中制成颗粒，应用于露天矿的治理，并达到了很好的效果。

1.2 国内研究现状

目前，国内许多学者对酸性煤矸石山原位污染与治理进行了一定的研究[22]。

胡振琪[23]分别选用SLS(十二烷基硫酸钠)和SBZ(苯甲酸钠)作为杀菌剂进行实验，以培养液的酸度(pH)、氧化还原电位(Eh)、亚铁离子被氧化程度为指标，探讨了抑制A.f菌氧化作用的因素。结果表明ρ(SLS)10mg/L时，Fe2+氧化抑制率是75.69%，ρ(SBZ)为30mg/L时，Fe2+氧化抑制率是75.89%(表1)；张哲[24]筛选出菌株Z1通过添加不同剂量的杀菌剂十二烷基磺酸钠(SDS)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)分析了不同杀菌剂对A.f菌生长的抑制效果，并用滴制法(醋酸纤维素)将杀菌剂制备成缓释杀菌滴丸。结果发现ρ(SDS)30mg/L时，Fe2+氧化抑制率是82.83%，ρ(CTAB)5mg/L时，Fe2+氧化抑制率是80.84%。通过SEM、FTIR、元素分析证实了SDS滴丸的载药率达到40%以上，而CTAB的滴丸的载药率只有8.42%(载药率=滴丸中所含药物量/滴丸的总质量×100%)；任婉侠[25]研究了6种低分子量有机酸(甲酸、乙酸、丙酸、草酸、苹果酸和柠檬酸)对A.f菌的抑制影响。结果表明抑制顺序为：甲酸>乙酸>丙酸>草酸>苹果酸>柠檬酸。甲酸浓度为0.254mmol/L时，Fe2+的氧化完全被抑制；苏凤贤[26]认为天然广谱植物抗菌素大蒜素可以降低革兰氏阴性菌的生物活性；吴东升[27]以pH值、温度和十二烷基硫酸钠(SLS)的浓度做了正交试验，结论指出，当温度为25℃，pH为3，SLS浓度为7.5mg/L时，抑制氧化亚铁硫杆菌达到最佳效果。

表1 几种氧化亚铁硫杆菌的杀菌剂

有学者对A.f菌的缓释包膜进行了研究[28]，取得了相应的进展。史航等人[29]用溶剂挥发法制备苯甲酸钠的聚苯乙烯聚合物微球，并实现了苯甲酸钠的缓释。实验结果表明，聚苯乙烯微球中所含的苯甲酸钠的质量分数可以达到18%，并且微球能够在涂层基料中分散均匀，最初的释放速度缓慢，120天以后依然不断有适量的苯甲酸钠释放出来，并表现出良好的抑菌效果。李成学等[30]通过对保水肥在不同介质中的溶胀度、吸水度及保水剂在不同肥料溶液中对肥料吸持性能的测定，研究了不同介质对保水肥吸水性能的影响及不同肥料溶液对保水剂的保肥性能的影响；何绪生[31]认为保水缓/控释肥料是具有吸水、保水及释水的新型缓/控释肥料，其对改善水肥效率具有良好的前景。

2 考察杀菌剂杀菌效果的重要指标

目前国内外学者考察抑制氧化亚铁硫杆菌氧化作用的因素，多数以培养液的pH、氧化还原电位Eh和亚铁离子被氧化程度为指标[20-24]。

测定pH值：直接使用pH计测定。

测定Eh值：直接使用Eh计测定溶液的氧化还原电位。

测定Fe2+多使用重铬酸钾法或邻菲罗啉分光光度法测ρ(Fe2+)。

2.1 pH值

培养初期，A.f菌氧化Fe2+时会消耗酸使得菌液的pH升高，溶液中Fe3+数量增多并发生水解作用，会在锥形瓶内壁和瓶底慢慢结一层黄色的附着物(黄钾铁矾)，溶液中pH值又明显下降[24]。所以pH值是体现杀菌剂是否对A.f菌有所抑制的一个重要指标。

2.2 Eh值

Eh值为氧化还原电位，与Fe3+/Fe2+浓度成正比。溶液的氧化还原电位 Eh 用能斯特方程进行计算[32]，见下式。

Eh=0.767+0.059llg([Fe3+]/[Fe2+])

随着细菌的生长，溶液中Fe2+被氧化成Fe3+，[Fe3+]/[Fe2+]比值增加，溶液氧化还原电位Eh 上升[33]。当施加杀菌剂之后，由于A.f菌的生长被大量限制，Fe2+氧化缓慢，Eh曲线理论上持平，基本没有变化。可以体现出杀菌剂是否有效杀灭A.f菌，减缓Fe2+的氧化，使Fe2+基本不会被氧化成Fe3+。

2.3 Fe2+氧化率

在初始ρ(Fe2+)相同的情况下，同一时刻溶液中的ρ(Fe2+)越低，ρ(Fe3+)越高，表明A.f菌将Fe2+氧化成Fe3+的能力越强，氧化活性越好。由此说明，Fe2+浓度是影响A.f菌生长的重要条件之一。

3 讨论

1) 我国的能源结构以煤炭为主，这个现状在短时期内不会改变，煤炭开采产生的煤系废弃物煤矸石的排放量在短时间内还会增加，由煤矸石带来的环境问题依然存在。因此，煤矸石的酸性源头污染控制仍是当务之急。煤矸石酸性主要来自硫的氧化，抑制氧化是治理矸石山的有效途径，显然，杀菌剂的使用可以抑制微生物催化氧化。煤矸石酸性治理选用的杀菌剂，不仅要考虑杀菌效果、使用条件，而且要考虑到性价比，这样才能更加广泛地投入在煤矸石的治理中。除此之外，还要充分考虑其使用对人体长期的安全性。

2) 在治理过程中，室内试验为微生物提供适宜的试验环境条件来实现酸性煤矸石的原位污染控制，但是自然界的环境变化无常，室内试验还存在一定的局限性。需要进一步在国内煤矿石堆放的外部环境下深入实验，探索出如何永久的抑制或杀死微生物，具体的作用机理还有待进一步的详细研究。

3) 酸性自燃煤矸石山是矿区主要的污染源之一，自发性的自燃煤矸石山治理实践，往往导致治理成本高、收效不理想。对其进行深入的理论及试验研究，使得自燃煤矸石山原位治理效果及成本难以把握，造成经济问题和环境治理问题，如何探索出合适、高效、低耗的实验，在优化实验操作的同时也能深入探寻野外条件下杀菌剂的实验效果仍然是我国煤矿区土地复垦与生态环境治理的难点。

4 前景展望

在环境问题受到广泛关注的今天，环境受损、生态补偿已成为社会各方关注的焦点。煤矸石山由于治理起来十分复杂，一直是企业和政府面临的难题，但是从环境资源的角度来看，煤矸石也是一种可以用来资源化再利用的资源。如果不把煤矸石当成废料，而是把它作为资源加以利用，就会产生一定的社会效益、经济效益和环境效益，因此对煤矸石的处置和综合利用是保护环境和生态治理的当务之急。

单一杀菌剂对于环境来说不一定是最经济和长效的，将包膜缓释与复合杀菌这两项重要的源头控制技术结合起来才能有效地解决源头控制煤矸石山的酸性氧化问题。因此，应该发掘更有效、更适用、更安全的复合缓释杀菌剂来抑制氧化亚铁硫杆菌，比如已证明具有抑制作用的天然低分子有机物等，再结合相适应的缓释方法制备缓释制剂，能够更完善的进行酸性矸石山原位污染控制。同时还需要进一步研究在煤矸石堆放条件下杀菌剂抑制氧化的更深入机理，探索更合适的杀菌剂材料和有效使用方法。

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