电场强化SRB生物膜降解硫酸根中pH值变化规律

胡守恒,徐建平,何双双

(安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖　241000)



电场强化SRB生物膜降解硫酸根中pH值变化规律

胡守恒,徐建平,何双双

(安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖241000)

摘要：以外加1.5 V电源的SRB碳毡生物膜为实验对象，在降解硫酸根的过程中通过改变外加电阻、温度、初始pH值、碳硫比测定pH值来探索pH值随时间的变化规律。结果表明：电场强化SRB碳毡生物膜促使pH值提升更快；连接电阻R≥500 Ω时，随着连接电阻的增加，pH值提升逐渐缓慢；温度为35 ℃时，pH值提升最快；随着碳硫比增加至3∶1和4∶1时，pH值会有先升高后下降的现象；初始pH值在4～8时，pH值均得到提升；当pH值为8时，第3天出现下降的趋势。了解pH值的变化规律能为SRB去除重金属废水提供数据支持。

关键词：SRB生物膜；电场强化；pH变化规律

硫酸盐还原菌在高硫酸盐有机废水、酸性矿井废水、电镀废水的应用中，因其 “以废治废”、处理重金属种类多、处理彻底等特点[1-2]具有广泛的应用共识。近年来，将硫酸盐还原菌与电化学相结合组成微生物电解池和微生物燃料电池，来提高废水处理率，极大地提高了其应用潜力。

硫酸盐还原菌降解硫酸根的实质是电化学反应。硫酸盐还原菌利用碳源提供的电子将硫酸根还原为硫离子，通过硫离子与氢离子结合来提升pH值。在碱性环境下，硫离子与重金属结合可达去除重金属的效果。在该过程中，pH值的提升是关键，所以探索pH值的变化规律能为SRB去除重金属废水提供数据支持。本文通过电场强化的硫酸盐还原菌生物膜，在不同条件下降解硫酸根进行pH值变化规律的研究。

1　材料与方法

1.1硫酸盐还原菌的培养

硫酸盐还原菌(sulfatereducingbacteria,SRB)取自合肥工业大学，以Starkey培养基进行加富培养。Starkey培养基配方为：NaSO40.5g，NH4Cl1.0g，K2HPO40.5g，无水CaCl20.06g，70%乳酸钠 5mL，MgSO4·7H2O2.0g，抗坏血酸 0.4g，蒸馏水1 000mL。

1.2硫酸盐还原菌生物膜制备

碳毡电极预处理：碳毡预先剪成4cm×4cm正方形，置于0.1mol/L的盐酸溶液中浸泡24h，然后置于去离子水中浸泡清洗2h，备用。

碳毡生物膜电极制备：将碳毡悬浮置于Starkey培养基中，接种10%SRB菌液。使用万用电表记录碳毡电极开路电位变化，红表笔接碳毡电极，黑表笔接饱和甘汞电极，如图1所示。

生物膜制作条件：接种10%菌液至Starkey培养基中，pH值为5，温度为35 ℃，进行开路培养，每隔1min记录开路电位，得到图2的碳毡电极开路电位变化图。

图1　SRB碳毡生物膜制备接线示意图

生物膜的形成是为对抗不利环境而自发进行的环境适应机制，主要包括4个明显的阶段：起始的附着、细胞与细胞之间的吸附与增殖、生物膜的成熟，以及最后细菌的脱离过程[3]。由图2可知：从第1天到第2天的开路电位稳定降低为起始附着阶段，与吸附动力学曲线的趋势相似；以第3天开路电位急剧降低为细胞与细胞之间进行吸附与增殖，类似于生物的对数生长期；第4天开路电位稳定，标志着生物膜的成熟，可用于硫酸根降解探索试验。

图2　碳毡电极开路电位变化

1.3实验方法

以Starkey培养基为基础，使用1.5V南孚碱性干电池提供电压，阳极接碳棒，阴极接碳毡生物膜电极，分别调节连接电阻、温度、碳硫比，每隔2h采用pH值电极测定pH值。

2　结果与分析

2.1连接电阻与pH值变化关系

初始条件：pH值为5，温度为35 ℃，碳硫比为2∶1，设置连接电阻分别为0,100,500,1 000,1 500,2 000Ω，每隔2h取水样，连续4天，每天取7次水样测pH值，得图3不同连接电阻降解硫酸根的pH值变化图。以连接电阻为横坐标，最终pH值为纵坐标，得图4不同连接电阻下的pH值对比图。

在图3、4中可以看到：当R(连接电阻)≥500Ω时，随着连接电阻的增大，pH值升高越来越缓慢；R为500Ω时，pH值最高可升到约8；当R<500Ω时，随着连接电阻的减小，pH值缓慢升高。

SRB降解硫酸根的实质是电化学反应，连接电阻在不致酶失活的条件下，影响电子传递速率。前期主要依靠硫酸根还原成的硫离子与氢离子结合来提高pH值，所以反应越快pH值升高越快。对常压供氢体系硫酸盐还原菌进行电场强化研究表明：当电流小于等于1.5mA时，随着电流的增大硫酸根还原速率增大[4]。结合图2，当R≥500Ω时，随着连接电阻的增大，反应越来越慢，pH值升高越来越慢；当R<500时，可能对酶活的影响较大，导致pH值升高缓慢。也或者当R≥500Ω时，相应的电流小于等于1.5mA，随着连接电阻增大，电流减小，导致反应越来越慢；当R<500Ω时，相应的电流大于1.5mA，破坏了酶活，导致pH值升高缓慢。

图3　不同连接电阻降解硫酸根的pH值变化

图4　不同连接电阻下pH值对比

2.2不同温度下的pH值变化

初始条件：pH值为5，碳硫比为2∶1，连接电阻500Ω，设置反应温度分别为25,30,35,40,45 ℃。每隔2h取水样，连续4天，每天取7次水样测pH值，得图5不同温度下降解硫酸根的pH值变化图。以温度为横坐标，最终pH值为纵坐标得图6不同温度下的pH值对比。

图5　不同温度下降解硫酸根的pH值变化

由图4可以看出：温度在25～45 ℃时，随着时间的增加，pH值均会上升，而且曲线类似，说明温度只会影响反应速率。从图6可以看出：当温度为35 ℃时，pH值提升最快。与马忠友[5]对混合SRB菌群还原硫酸盐生理特性的研究结果类似。

2.3不同碳硫比条件下pH变化

初始条件：pH值为5，温度为35 ℃，连接电阻500Ω，设置碳硫比分别为① 1∶1,② 2∶1,③ 3∶1,④ 4∶1，每隔2h取水样，连续4天，每天取7次水样测pH值，得图7不同碳硫比下降解硫酸根的pH值变化图。

图6　不同温度下pH值对比

图7　不同碳硫比下降解硫酸根的pH值变化

由图7可以看出：①和②的pH值逐步提升；③和④的pH值先升高后降低。因为SRB本身是产氢菌，pH值的提升主要依靠被还原成S2-的硫酸根，当硫酸根消耗完，则会积累H+导致pH值降低，故出现③和④的pH值先升高后下降的现象。

2.4不同初始pH值条件下的pH值变化

初始条件：碳硫比为2∶1，连接电阻500Ω，温度35 ℃，设置初始pH值分别为4,5,6,7,8，每隔2h取水样，连续4天，每天取7次水样测pH值，得图8不同初始pH值条件下降解硫酸根的pH值变化对比图。

由图8可以看出：在电场强化条件下，初始pH值在4～8时都能使pH值得到提升；pH值在8和9时，第3天出下降。SRB是一种适应弱碱环境的细菌，从适应期到内源呼吸期一般为3～5天。pH值为7～8时，在第3天pH分别提升到9和10左右，产生的HS-和S2-会对SRB产生抑制，导致SRB自代谢产酸，使pH值降低。

图8　不同初始pH值降解硫酸根的pH值变化

2.5电场强化与非电场强化条件下pH值变化

初始条件：pH值为5，碳硫比为2∶1，温度35 ℃，设置一组连接500Ω和1.5V南孚干电池，另一组作对照。每隔2h取水样，连续4天，每天取7次水样测pH值，得图9电场强化与非电场强化条件下pH值变化图。

图9　电场强化与非电场强化条件下pH值变化

由图9可以看出：电场强化和非电场强均能使pH值升高；但电场强化的线条始终在非电场强化的线条之上，说明电场强化能使pH值提升更快。

对硫酸盐还原菌电解系统阴极的硫酸根还原特性的研究结果表明[6]：硫酸盐还原菌能利用阴极电子还原硫酸根，当外加电压0.8V时比外加电压0.4V还原硫酸根速率高。pH值提升的关键在于S2-的产生。这说明电场强化能够促进S2-的产生，从而使pH值提升更快。

3　结论

本文以外加1.5V电源的SRB碳毡生物膜为实验对象，在降解硫酸根的过程中通过改变外加电阻、温度、初始pH值、碳硫比测定pH值随时间的变化规律。结果表明：电场强化SRB碳毡生物膜能加速硫酸根还原使pH值提升更快；连接电阻R≥500Ω时，随着连接电阻的增加，pH值升高越来越缓慢；温度为35 ℃时，pH值提升最快；随着碳硫比的增加，pH值先升高后下降，因为随着时间的进行使硫酸根数量不足，而且SRB产酸使pH值降低；初始pH值为4～8时都能使pH值得到提升；pH值为8时，第3天出现下降，可能由于产生的HS-和S2-对SRB产生抑制，导致SRB自代谢产酸，使pH值降低。

参考文献：

[1]方艳,闵小波,柴立元,等.硫酸盐还原菌(SRB)污泥固定化小球还原硫酸盐的动力学研究[J].工业安全与环保,2007,33(3):1-4.

[2]汪爱河,胡凯光,廖建军.硫酸盐还原菌处理重金属废水研究进展[J].湿法冶金,2006,25(4):172-174.

[3]唐俊妮,史贤明,王红宁,等.细菌生物膜的形成与调控机制[J].生物学杂志,2009,26(2):48-53.

[4]徐慧纬,张旭,杨姗姗,等.常压供氢体系电场强化硫酸盐还原生物-电化学效应研究[J].环境科学,2009,30(7):1931-1936.

[5]马忠友,邓盾,汪建飞,等.一组混合菌群还原硫酸盐的特性[J].中国农业通报,2013,29(8):184-188.

[6]符诗雨,刘广立,骆海萍,等.微生物电解系统生物阴极的硫酸盐还原特性研究[J].环境科学,2014,35(2):626-632.

(责任编辑何杰玲)

收稿日期：2016-03-16

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274001)；煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放课题基金资助项目(SKLCRSM10KFA05)

作者简介：胡守恒(1991—)，男，安徽亳州人，硕士研究生，主要从事水环境治理与资源化研究；通讯作者 徐建平(1956—)，男，教授，主要从事水环境治理与资源化研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.07.013

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)07-0074-04

StudyoftheChangeLawofpHinSRBBiofilmDegradingSulfateEnhancedbyElectricField

HUShou-heng,XUJian-ping,HEShuang-shuang

(SchoolofBiochemicalEngineering,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu241000,China)

Abstract:Taking SRB biofilm attached carbon felt and connected 1.5 V power as the experimental object, this paper studied the change law of pH by manipulating external resistor, temperature, initial pH, carbon and sulfur ratio in the process of degradation sulfate. The results show that the biofilm enhanced by electric field contributes to a faster growth of pH; the growth of pH slows down with the increase of the resistance of resistor, when external resistor R is equal to or more than 500 ohms; the growth of pH increases the fastest, when temperature is 35℃; The pH increases first and then decreases when the carbon and sulfur ratio reaches up to 3:1 and 4:1; the pH increases when initial pH is kept between 4 to 8, and when initial pH is kept on 8, the pH will decrease on the third day. The change law of pH could provide basic data for the removal of heavy metal waste water by SRB.

Key words:SRB biofilm; electric field intensify; change law of pH

引用格式：胡守恒,徐建平,何双双.电场强化SRB生物膜降解硫酸根中pH值变化规律[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(7):74-77.

Citationformat：HUShou-heng,XUJian-ping,HEShuang-shuang.StudyoftheChangeLawofpHinSRBBiofilmDegradingSulfateEnhancedbyElectricField[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(7):74-77.