硫酸盐还原菌在废水处理领域发展态势分析

刘力源，沈 旭，王 璐，樊 笑，谢鸿观

（成都理工大学生态环境学院，四川成都 610059）

当今水体的污染现象主要与矿山、冶金、电镀及其他工业活动中排放的废水有关，这些废水大多呈酸性并含有锌、铜、铅、铊等重金属离子，经过食物链的积累会导致人体慢性中毒，对人体和生态环境造成极大危害，因此废水治理关乎人类健康和生态环境。处理废水的常用方法有化学沉淀法、离子交换法、反渗透法等，这些方法处理效果较好，但存在成本昂贵、产生大量剩余污泥等缺点〔1〕。而以利用硫酸盐还原菌（Sulfate-reducing bacteria，SRB）为代表的微生物处理技术则无需消耗大量试剂，具有相对安全且可实现资源回收等优点。

SRB 是一种具有多样形态特征的厌氧细菌，在有机基质存在的厌氧条件下，SRB 的异化硫酸盐作用可以将硫酸盐还原为H2S，H2S 与溶解在废水中的某些金属离子（如铜、铁和锌）反应，通过产生金属硫化物沉淀介导金属去除，同时产生碱性物质提高pH。它是目前处理含重金属离子废水、酸性矿山废水以及含硫酸盐废水的代表性微生物之一。

文献计量学是通过对一个领域的特定文章进行定量分析，用应用数学和统计学方法来研究文献学的交叉科学。文献计量学分析的要素可以是书籍、专著、报告、论文、会议文章。文献计量学可以识别指定学科及相关学科内发文量较多的作者、机构、国家和期刊，通过分析研究文献发文量的趋势、作者之间的交流和机构合作、期刊的影响因子、高被引文献等来确定研究主题和未来方向以及热点，也可以在评估有关研究成果中发挥重要作用。文献计量学几乎适用于任何科学领域，如医学〔2〕、教育〔3〕、海洋渔业〔4〕、石油天然气〔5〕等。

在中国知网CNKI 中以“废水”、“文献计量学”作为主题进行检索，经过人工筛选，发现截止到2020 年底，国内只有3 篇北大核心的文章通过文献计量学方式对废水处理领域文献进行分析〔6-8〕，但尚未有对SRB 处理废水这个领域进行文献计量学分析的文章。笔者借助Web of Science、CNKI 数据库和VOSviewer 软件对SRB 在废水处理领域的研究进行文献计量学的分析，期望能为以后的学者提供更多的研究思路和方向。

1 数据与方法

1.1 数据来源

选择Web of Science 和中国知网CNKI 作为检索数据库，分别进行文献检索。

Web of Science 检 索 式：TS=（SRB OR Sulfatereducing＄bacteria）AND TS=（waste＄water OR effluent OR sewage OR discharg*OR liquid＄waste OR outlet＄water）AND TS=（treat* OR degrad* OR remov*）。检索数据库为Science Citation Index Expanded（简称SCI-E），时间跨度为1985—2020 年，文献类型为“article”和“review”。

CNKI 检索式：主题=（硫酸盐还原菌+SRB）AND主题=废水AND 主题=（处理+去除+应用）。发表时间为1981-01-01—2020-12-31，来源类别为EI 期刊、北大核心、CSSCI，文献类型为“中文”。

因SCI-E 只能从1985 年开始检索，而CNKI 第1篇文献发表于1981 年，因此各自的检索时间跨度设定不同。经过人工筛选，最终得到SCI-E 期刊451篇、CNKI 学术期刊241 篇作为分析文献。

1.2 研究方法

通过CNKI 和Web of Science 平台进行简单的统计数据分析，例如对每年的发文数量、发文期刊和研究学科分布进行统计，得到的数据用VOSviewer 软件（1.6.15）进行分析。VOSviewer 主要生成共现网络地图，其中包括关键词共现，以及来源和引文网络等〔9〕，这些项目在可视化中以标签和圆圈或框架的形式显示，其大小取决于每个术语的重要性。在对术语进行共现分析时，应重新标记同义的单个词和同类词，以实现更好的文献计量分析。根据软件手册，在调整程序中的参数后即可生成映射。

2 结果分析

2.1 文献规模及发文趋势

逐年的发文量和趋势图可以直观地反映SRB 在废水处理领域的发展研究状况。CNKI 在此领域的研究始于1981 年〔10〕，但第1 篇被核心期刊收录的文章写于1992 年〔11〕，随后本领域研究人员在处理酸性矿山废水、重金属废水、硫酸盐废水以及SRB 的固定化领域等方面开展研究。而SCI-E 则是从1995 年开始收录该类文章。自1995 年开始到2020 年，关于SRB 在废水处理领域逐年的发文量和趋势见图1。

由图1 可 知，自2005 年 起，CNKI 中SRB 在 废 水处理领域的研究进入平稳发展的阶段，发文量没有发生大幅度波动，而SCI-E 自1995 年至今，大体可以将文章发展趋势分为3 个阶段：第1 阶段为1995—2005 年，这时期关于SRB 处理废水的研究正缓慢起步，第1 篇收录的文章为1995 年E.COLLERAN 等〔12〕有关含硫酸盐废水厌氧处理的综述，共被引用196次；第2 阶段为2006—2014 年，此领域的研究在这段时期内发展平缓，发文量呈总体上升的趋势，SRB 在微生物燃料电池废水处理系统中的应用是此阶段的讨论热点〔13〕，相较而言，同时期CNKI 上的发文量并没有上升，分析可能是由于我国学者逐渐将发文重心转移到外文期刊；第3 阶段为2015 年至今，关于SRB 在废水处理领域应用研究的文献数量骤升。由此可见，将SRB 应用于废水处理在国际上受到学者们愈来愈强烈的关注。

2.2 文献发表国家及机构

图1 SRB 在废水处理领域的逐年发文量及趋势Fig.1 The trend and numbers of published papers about SRB in the field of wastewater treatment

在SCI-E 中收录的关于SRB 应用在废水处理领域的文献有451 篇，其发文机构来自于52 个国家或地区（中国包括中国台湾、中国香港；英国包括英格兰、爱尔兰、苏格兰、威尔士），表1 为发文量排名前10 国家的发文量、h 指数、篇平均引用次数的比较，用以分析评价这些国家的科研实力和国际影响力。h 指数的意义为有h 篇文献被引用至少h 次，巧妙地将发文量和被引量合成一个单项指标，在科学评价里具有高质量的主导作用〔14-16〕。据检索，2006 年前，我国只在该领域发表了2 篇文章，但在这之后发文量呈指数型上升，h 指数和发文量都最高。

表1 SCI-E 中SRB 在废水处理领域发文量前10 的国家/地区分布（TOP 10）Table 1 The distribution of the top ten countries/regions in the number of papers about SRB in the field of wastewater treatment in SCI-E（TOP 10）

表2 为CNKI 和SCI-E 中SRB 在废水处理领域发文量排名前5 的国内外机构，可以看出，国内的辽宁工程技术大学和哈尔滨工业大学在此领域的研究实力较强，为国内的研究作出重大贡献，而外文发文数前4 名均为中国机构，由中山大学和中国科学院为代表的我国机构在此领域有雄厚的科研实力。结合表1 分析，荷兰、西班牙、澳大利亚虽然发文量不高，但其篇均引用或h 指数都很高，体现出这3 个国家在此领域具有一定的国际学术影响力。

表2 CNKI 和SCI-E 中SRB 在废水处理领域发文量前5 的国内外机构（TOP 5）Table 2 Top 5 domestic and foreign institutions in the number of papers about SRB in the field of wastewater treatment in CNKI and SCI-E（TOP 5）

用VOSviewer 软件绘制国家/地区合作知识图谱，结果见图2。图2 中，连线的粗细代表了合作强度，节点大小代表了国家发文数量。可看出中国和多个国家建立了合作，和美国、南非的合作最为密切。

2.3 重点研究方向

关键词是文献的检索标记，它们可以简单、直接、全面地概括论文的核心研究内容。文章中的关键词越常见，相关研究的文章就越多，研究内容的重点就越突出，越能反映该领域研究的热点问题〔17〕。对文献中的关键词进行整理，主要包括去除一些无分析意义的关键词，如“硫酸盐还原菌”、“处理”、“废水”等词的中英文拼写及单复数、全称与缩写、同义词等，其中出现频次前20 位的关键词分布见表3。

图2 SRB 在废水处理领域相关研究的国家合作网络图谱Fig.2 National cooperative network map of SRB research in the field of wastewater treatment

表3 SRB 在废水处理领域相关研究的高频关键词（TOP 20）Table 3 High frequency keywords of SRB research in the field of wastewater treatment（TOP 20）

运用VOSviewer 软件根据处理得到的数据结果绘制关键词共现知识网络图谱，包括关键词聚类图（见图3、图4）、高频关键词密度图（见图5）和时间叠加图（见图6）。

结合图3、图4 关键词共现聚类进行分析，可将关键词归纳为硫酸盐还原菌的作用机理、生物反应器、电子供体3 大方面。通过表3，可以发现该领域中酸性矿山废水是热点关键词，在CNKI 中出现频次为41，Web of Science 出现107 次，均排第一。而图5 的高频关键词密度图从冷色调（蓝色）到暖色调（黄色）表示关键词周围元素、密度、出现频率都越来越高，即研究热度越来越高，可知酸性矿山废水、重金属、微生物群落、生物修复、产甲烷菌、厌氧消化为此领域的热点研究。根据图6 的时间聚类图发现重金属、生物修复、反应器、麦饭石、零价铁、重金属等关键词在CNKI 中为近5 a 研究重点，主要涉及到SRB 应用于处理酸性矿山废水的研究现状以及生产工艺〔18-21〕，产甲烷菌、生物修复、生物反应器、微生物群落等关键词为Web of Science 近5 a 研究重点，其更为关注SRB 的厌氧生物处理技术〔22-24〕以及SRB 和产甲烷菌之间的竞争关系〔25〕。

2.3.1 处理机理

图3 CNKI 中SRB 在废水处理领域相关研究的高频关键词聚类共现图谱Fig.3 Cluster co-occurrence map of high frequency keywords of SRB research in the field of wastewater treatment in CNKI

图4 SCI-E 中SRB 在废水处理领域相关研究的高频关键词聚类共现图谱Fig.4 Cluster co-occurrence map of high frequency keywords of SRB research in the field of wastewater treatment in SCI-E

结合表3 以及关键词知识图谱可知，SRB 能够处理的典型污染水体种类为酸性矿山废水（AMD）、硫酸盐废水和重金属离子废水3 类，尤其是对AMD 的处理最为广泛。开采和加工含硫矿物会产生大量的AMD，当金属硫化物矿物（主要为黄铁矿）在天然存在的硫氧化细菌（如氧化铁硫杆菌）作为生物催化剂的条件下与氧气和水接触时，就会生成AMD，其典型特征是pH 低，约为1.5～2.0，另外其硫酸盐浓度高、无机盐含量高〔26〕且含有毒重金属离子。矿井中AMD 的过度释放可能会污染周围的水环境，对陆地和水生生态系统具有破坏性影响。因此，许多国家禁止将AMD 直接排放到环境中，要求采用高效、可靠的方法对其进行处理。目前处理AMD 的方法有离子交换、反渗透、膜过滤、电渗析等〔27〕。这几种方法的运行成本高，而且处理效率相对较低〔28〕。生物处理中最常用的有生物反应器和人工湿地〔29-31〕2 种方法，但人工湿地成本高，需要定期维护，并且依赖于大面积的土地。SRB 对AMD 的微生物修复是一种很有前途的方法，作为一类耐低氧的厌氧原核生物，其广泛存在于湖泊、沼泽、地下管线、水田、工业废水、石油矿床等缺氧环境中。该工艺主要基于SRB产生硫化氢和碱度的能力，其反应见式（1）、式（2）。

图5 SRB 在废水处理领域相关研究的高频关键词密度图Fig.5 Density map of high frequency keywords of SRB research in the field of wastewater treatment

图6 SRB 在废水处理领域相关研究的关键词时间叠加聚类图Fig.6 Time superposition cluster diagram of keywords of SRB research in the field of SRB wastewater treatment

在式（1）、式（2）中，电子供体分别为CH2O、H2。反应生成的硫化氢以低溶解度硫化物的形式沉淀溶解 的 金 属 离 子，例 如Zn2+〔32〕、Cu2+〔33〕、Ni2+〔34〕、Fe2+〔35〕等，其反应见式（3），式中M2+表示二价金属离子。

SRB 引起的有效沉淀发生在广泛的pH 范围内，且在金属离子浓度较低的情况下，SRB 工艺比其他工艺具有更高的重金属沉淀效率，而且更容易从废水中分离出金属离子，因为其硫化物溶解度比氢氧化物低几个数量级〔36〕。此外，金属硫化物密度高，具有良好的脱水和沉降性能，从沉淀的硫化物中可以回收有价值的金属。

金属离子的沉淀反应会释放酸性质子，从而增加水的酸度。而式（1）、式（2）中产生的碱性碳酸氢盐或氢氧化物能够中和水的酸性〔37〕，其反应见式（4）、式（5）。

将硫酸盐还原微生物应用在采矿工业中的工艺早在20 世纪60 年代末就已经提出〔38〕，并且此后还开发出了一系列基于SRB 的被动处理系统和主动生物反应器用于治理AMD。最新对硫酸盐还原微生物的应用已经扩展到与水滑石结合以最大程度地去除AMD 中的硫酸盐〔39〕。这种生物处理方法运行成本低，需要的维护很少，而且可以大规模使用〔40〕。与基于碳循环的传统处理技术相比，应用SRB 技术可以在提高pH 并去除溶解金属离子的同时，产生最少的污泥量，且其温室气体排放量也较低〔41〕。

2.3.2 生物反应器

用于SRB 处理废水的生物反应器可根据其去除废水中金属的生物或化学机制加以区分，并进一步分类为主动式的（过程中持续地投入资源）和被动式的（过程中资源投入相对较少）SRB 处理工艺〔42〕。以被动式SRB 为基础的处理废水污染的应用包括渗透反应墙系统〔43-44〕、渗透床〔45〕、缺氧池〔46〕和湿地系统〔47〕等。被动式处理系统需要相对较少的人工成本，且运行和维护成本也相对较低。然而，被动处理系统也存在一些缺点，如需要的处理面积较大、过程不易控制和性能不可预测等。相对而言，以厌氧硫酸盐还原工艺为代表的主动式处理系统所需处理面积小、易于回收金属、有良好的过程控制和良好的性能预测性〔42〕，并可显著降低硫酸盐浓度，但其处理重金属污染废水的过程受硫酸盐浓度、重金属形态及其浓度、pH、温度、电子供体等多种因素的影响。表4 总结了各种用于处理硫酸盐和金属废水的基于SRB 的主动式硫化反应器及其优缺点、目标废水、碳源、水力停留时间、硫酸盐和金属去除效率，并且所有这些硫化生物反应器的应用都已完成从实验室到野外规模的金属去除和回收，可知采用主动式处理方法作为硫酸盐生物反应器来去除重金属比采用被动处理系统更受欢迎〔42〕。然而虽然SRB 法与其他物理化学方法相比成本较低，但因其大多是以乙醇、乳酸等试剂为碳源，这在实际工程应用中仍是一笔巨大的开销〔56〕。

表4 各类基于SRB 的主动式硫化反应器处理系统Table 4 Various active SRB-based sulfidogenic reactor systems

2.3.3 电子供体

利用生物法处理含硫酸盐废水的理想电子供体应成本低、易得且无毒〔42〕。有机电子供体支持异养硫酸盐还原，同时也会为SRB 提供碳源，而无机电子供体（如H2）则需要补充适量碳源，可以是二氧化碳，也可以是有机基质中的碳。一些含高浓度硫酸盐的废水，如制浆造纸工业〔57〕、食品加工业〔58〕和食用油生产工业〔59〕的废水含有高浓度的有机物，SRB可以利用这些有机物进行硫酸盐还原。相比之下，AMD 中通常不含有机物，因此使得生物法处理具有一定的挑战性。如糖（葡萄糖和蔗糖）、醇（乙醇和甲醇）或短链脂肪酸（乳酸、醋酸盐和丁酸盐）等各种有机物先前已被添加到AMD 中以支持生物硫酸盐还原〔60〕，这些有机物由于其高昂的成本大多不适合用于处理AMD。也有研究对包括粪便〔61〕、铁屑〔62〕、秸秆〔63〕和农业及生活废水〔64〕等其他低成本材料进行了探索，但它们的主要缺点是会造成二次污染。因此如氢气、一氧化碳、甲烷及其混合气体（CO、H2和CO2的混合物）等气态电子供体具有极强吸引力。使用气态电子供体的主要优点是硫酸盐还原率通常很高（特别是氢气），而且它们不会因为废水中剩余未利用的底物而造成二次污染问题〔65〕，还可以通过不同的生化或热化学途径从废弃底物中产生而进一步降低成本，并便于AMD 的现场治理。尽管如此，以往发表的有关AMD 治理的综述仍大多集中在可溶性有机底物上〔66〕，而通过生物硫酸盐还原来治理AMD 的气态电子供体在文献中还没有被很好地报道。尽管气态底物在生物硫酸盐还原方面优于可溶性有机底物，但微生物的选择性富集对于气态电子供体处理系统的设计和运行至关重要，因为并不是所有的微生物都能够利用这种底物作为电子供体，在某些情况下，它们对微生物甚至是有毒的。另外，选择合适的生物反应器系统是决定工艺效率的关键，目前气态底物生物还原硫酸盐最常用的生物反应器系统是气升式生物膜反应器。

3 结论

笔者借助Excel 统计和VOSviewer 软件对SRB在废水处理领域的研究进行文献计量学的分析，通过对此领域CNKI 数据库中的241 篇和Web of Science 数据库中的451 篇期刊文章进行可视化分析，揭示了SRB 在废水处理应用领域的研究现状和重点，展望了未来发展趋势。

（1）我国对于SRB 用于废水处理领域的研究起步较早，且近20 a 的发文量平稳。近些年我国学者更注重提升我国在此领域的国际传播力，在Web of Science中，我国机构发文量稳居第一，远超第二，但h 指数和均被引量不高，与国际顶尖水平仍然存在差距，需要进一步对文章质量进行把关，提高行业影响力。

（2）我国在SRB 处理废水领域主导研究的机构是辽宁工程技术大学、哈尔滨工业大学、太原理工大学等，而最具国际影响力的机构有香港科技大学、中国科学院、中山大学、哈尔滨工业大学和代尔夫特理工大学等，未来应该加强各学者以及高校机构之间的学术交流合作，进一步提升该领域在我国的研究热度和我国在该研究领域的国际地位。

（3）未来SRB 处理废水的研究主要围绕3 个方面展开：一是利用现代分子生物学技术进行模拟实验，采用基因测序并对微生物群落进行分离筛选，了解微生物间的竞争作用，了解废水的处理机理；二是以厌氧硫酸盐还原工艺为代表的主动式处理系统是处理工艺里的研究热门，其处理效果显著且易于控制，未来该技术的研发热点应当是新碳源的开发；三是开发新型电子供体，气态电子供体发展前景巨大，但这方面研究不多，是此领域的难点和未来发展的重点。