优势细菌电化学系统调控硫离子转化为单质硫的性能研究.pdf

摘要

硫化物普遍存在于工业废水、生活污水以及养殖水中，因其毒性、腐蚀性和

恶臭性质，对生态环境和生物安全造成了严重威胁。微生物电化学系统是一种清

洁高效的治理技术，可分为微生物燃料电池（Microbialfuelcells，MFC）和微生

物电解池（MicrobialElectrolysisCells，MEC），MFC能够同时产生电能并去除硫

化物。然而，常见的MFC中多种微生物间的竞争关系以及生物膜形成的过程往

往削弱了其效能。本研究以纯培养物枯草芽孢杆菌BacillussubtilisYCLS-2-1构

建MFC，首先研究其形成生物膜后的硫化物去除能力和产电特性，以及游离状

态下的硫化物去除能力，旨在强化硫化物的生物氧化。接着以该优势菌株构建

MEC，通过单因素试验和响应面试验，优化了该系统的反应条件，提高了硫化物

的去除效率和单质硫的生成率。最后在最佳条件下，利用FTIR、SEM、XPS、

XRD进一步分析了硫化物的转化过程和机制。这些研究结果不仅为硫化物的有

效去除提供了新的思路和方法，也为生物电化学系统在环境保护领域的应用提供

了重要的理论支撑和实践指导。主要的研究结果如下：

首先通过前期筛选出的九株硫氧化细菌，分别构建了微生物燃料电池。通过

比较产电性能和硫化物去除效果，成功筛选出两株优势菌（BacillussubtilisYCLS-

2-1和PseudomonasstutzeriYCLS-3-4）。以菌株YCLS-2-1构建的MFC1和以菌

株YCLS-3-4构建的MFC2在24h内硫化物去除率达到92.62%和94.82%。MFC1

2

的最大输出电压为0.69V，最大功率密度为37.10mW/m，电流密度为295.84

22

mA/m；MFC2的最大输出电压为0.67V，最大功率密度为26.06mW/m，电流

2

密度为175.31mA/m。循环伏安曲线表明，在微生物不同酶和外在条件的作用

下，硫化物被氧化成单质硫、硫酸盐、亚硫酸盐等多硫化物。通过比较游离微生

物和成熟生物膜对硫化物去除效果，研究发现这两株菌的游离细胞在MFC中能

够较好的去除硫化物，在适宜条件下，硫化物去除率分别达到91.46%和89.13%。

动力学研究表明菌株YCLS-2-1的硫化物去除速率高于菌株YCLS-3-4。红外光

谱、扫描电镜、XPS等表征方法分析表明，多种官能团在硫化物氧化中起作用，

在硫化物氧化过程中，有多种中间产物形成，氧化产物中含有单质硫。

接着以菌株YCLS-2-1构建阳极微生物电解池，分别研究电压、硫化物浓度、

乙酸钠浓度和初始菌含量对优势菌株YCLS-2-1硫转化影响。通过单因素试验得

到菌株YCLS-2-1去除硫化物和生成单质硫的适宜条件：电压-200mV；硫化物

浓度100mg/L；乙酸钠浓度1.0g/L，初始菌含量1×1010个/mL。采用了Box-

Behnken设计响应面优化实验进一步优化反应条件，得到菌株YCLS-2-1生成单

质硫的最佳条件：电压-220mV，S2-浓度114.29mg/L，乙酸钠浓度1.062g/L，初

始菌含量1.04×1010个/mL。在最佳条件下生成单质硫浓度为67.68mg/L，同时

硫化物的去除率为97.70%，略高于MFC中的硫化物去除率。

最后在最佳条件下，为了探究菌株YCLS-2-1中参与硫转化的活性成分，对

其不同组分的硫化物去除率和酶活性进行了分析，结果表明胞外酶在这一过程中

起着关键作用。对菌株YCLS-2-1的硫转化过程进行了深入研究。实验结果显示，

单质硫是该过程的主要氧化产物。同时检测到亚硫酸盐和硫代硫酸盐的生成，但

均被进一步氧化成硫酸盐。此外红外光谱、扫描电镜、XRD等表征手段对实验

结果进行了深入分析。这些表征结果与之前的研究结果相似，进一步证明了硫化

物的氧化过程是通过多种官能团的伸缩振动和弯曲振动来实现的。最后通