肖小雙 安雪姣 葉晗媛 王林平 鐘斌 張慶華

（1. 江西省農業(yè)微生物資源開發(fā)與利用工程實驗室 江西農業(yè)大學生物科學與工程學院，南昌 330045；2. 南昌市國昌環(huán)保科技有限公司，南昌 330006）

隨著社會的迅猛發(fā)展，工業(yè)化程度的不斷提高，工業(yè)廢水的排量也隨之提高。工業(yè)廢水是一種典型的有毒難降解的廢水，含有多種有機及無機且難以處理的污染物，成分復雜，COD 值高。有些工業(yè)廢水中存在大量的硫氰酸鹽，它是一種需要在全球范圍內進行治理的污染物。硫氰酸鹽（SCN-）是一種含碳、氮和硫的中毒性和化學穩(wěn)定性化合物，由硫化物或硫代硫酸鹽與氰化物反應形成［1-2］。被硫氰酸鹽污染的水可以從無襯里或結構受損的污水儲存設施滲透到含水層中污染水資源［3］。硫氰酸鹽的毒性早在20 世紀40 年代就被認識，其可抑制多種酶系統(tǒng)，低濃度（1-2 mmol）的硫氰酸鹽可以毒害多種高等生物［4］。金礦工業(yè)廢水中的硫氰酸鹽的濃度在500 mg/L-1 500 mg/L 之間；紡織印染工業(yè)廢水中的硫氰酸鹽濃度在500 mg/L-1 000 mg/L 之間，且由于出水的循環(huán)利用使硫氰酸鹽的濃度呈現(xiàn)持續(xù)增高趨勢［2，5-7］。用于煉鋼的焦炭生產產生的大量廢水中含有大量的硫氰酸鹽，其含量在50 mg/L-400 mg/L之間［8-10］。然而硫氰酸鹽在焦化廢水中的排放由工業(yè)排放指令（Industrial emissions directive，IED）規(guī)定，必須減少到4 mg/L［11］。當廢水中硫氰酸鹽含量較高時，它可與苯酚協(xié)同抑制厭氧氨氧化活性，降低廢水處理效率和效果［12］。

目前，非生物治理方法主要包括化學氧化和物理吸附［2］?；瘜W氧化法中比較有代表性的方法有高鐵酸鹽氧化法［13］、濕式空氣氧化法［14］、臭氧氧化法［15］及氯酸鈉氧化法［16］等?；瘜W氧化處理的效果較好，但實施的成本較高，需要投入大量的試劑或產生大量的危險廢物。以氯酸鈉氧化法去除硫氰酸鹽為例，首先對含硫氰酸鹽廢水中多次加濃硫酸脫除其中的硫代硫酸鹽，然后加入氯酸鈉去除硫氰酸鹽，此過程還需要多次交替加入濃硫酸和氯酸鈉以去除硫氰酸鹽［16］。物理吸附法比較經典的有鐵水合物吸附法［17-18］、印記秸稈吸附法［19］和AgCl 納米顆粒水滑石吸附法［20］等。物理吸附處理的效果較差，如鐵水合物吸附法，首先需要合成鐵水合物，然后將鐵水合物投加到硫氰酸鹽廢水中，在適宜條件下鐵水合物與硫氰酸鹽形成絡合物沉淀，這種吸附沉淀法受到硝酸鹽和pH 等條件的影響［17-18］，且這種吸附效果并不能達到排放標準?；瘜W氧化法和物理吸附法不符合低投入、高回報的目的，為此科學家們找到一種更可行的替代非生物法降解硫氰酸鹽的方法是利用能夠代謝硫氰酸鹽的環(huán)境微生物。具有利用硫氰酸鹽的微生物已從包括活性污泥在內的不同環(huán)境中富集和分離出來了，這些微生物代謝的硫氰酸鹽，可用作能量、碳、氮或硫源［21-22］。一些研究使用傳統(tǒng)的基于培養(yǎng)和聚合酶鏈式反應（PCR）擴增的核糖體基因測序來確定降解硫氰酸鹽的微生物的組成成分［23-24］。這些研究揭示了許多微生物物種或種群的生理能力，但未能探索出參與硫氰酸鹽降解的有效群落或整個微生物群落的全部代謝潛力和彼此間的化學聯(lián)系。近年來，雖然Gould、Watts、Mahendran 等［2，25-26］總結了微生物降解硫氰酸鹽的研究進展，但還是不夠全面。涉及基因組測序和元基因組DNA 測序的新研究發(fā)現(xiàn)了新的信息，有關的系統(tǒng)發(fā)育、多樣性、代謝和種間依賴的硫氰酸鹽降解菌團被發(fā)現(xiàn)。此外，新的實驗揭示了微生物代謝硫、氮和碳間的循環(huán)相互作用，從而對硫氰酸鹽生物降解技術的設計產生了重要的啟示。

本文通過總結當前有關降解硫氰酸鹽的關鍵微生物和過程的知識，以期為處理廢水中硫氰酸鹽提供借鑒。

1 單一微生物降解硫氰酸鹽

硫氰酸鹽中碳、氮、硫含量多且不易被利用，但是SCN-的組成元素S、C 和N 又是生物生長所需的營養(yǎng)元素。研究表明，一些微生物以SCN-作為其碳源、氮源或硫源進行生長，并形成SO42-、CO2和NH4+等代謝產物。表1 列舉了許多學者發(fā)現(xiàn)的可代謝硫氰酸鹽的微生物。

表1 硫氰酸鹽降解菌的分類

1.1 自養(yǎng)菌降解硫氰酸鹽

已分離到多種自養(yǎng)細菌，可通過硫氧化將硫氰酸鹽作為其唯一的能量來源［27-29］。這些化學營養(yǎng)細菌利用硫氰酸鹽降解初期釋放的還原硫作為生長的能源，將硫化物氧化成硫酸鹽［30］。嗜中性的Thiobacillus thioparus［31］、Paracoccusspp.［32］，反硝化的Thiobacillus denitrificans［33-34］，嗜鹽的

Thiohalkaliphilic thiocyanoxidans［35］，Halothiobacillus

sp.［36］，耐堿的Thioalkalivibrio paradoxus、Thioalkalivibrio thiocyanoxidans［37］和Thioalkalivibrio thiocyanodenitrificans［38］等這些特異性降解硫氰酸鹽的菌株被發(fā)現(xiàn)。這些細菌也可以直接利用其他還原硫來生長，如硫化物、多硫化物、元素硫或硫代硫酸鹽［38］，有時會優(yōu)先于硫氰酸鹽［39］。除了這些細菌利用硫作為能源外，還報告了硫氰酸鹽釋放的氮轉化為氨的利用情況［40］。然而，在pH 10 的條件下，當氨濃度為2 mmol/L-3 mmol/L 時，屬于Thioalkalivibrio的親堿型硫氧化劑的活性受到抑制，這是由于NH3在如此高的pH 值下增加了毒性［41］。大多數(shù)硫氰酸鹽降解細菌需要氧氣氧化硫，但也有些細菌以兼性厭氧方式氧化硫，如T.denitrificans和T.thiocyanodenitrificans，可以還原硝酸鹽或亞硝酸鹽，但是降解率可能較低［42］。還有研究表明，硫桿菌自養(yǎng)反硝化可以同時去除廢水中的硫氰酸鹽和氮，當硫氰酸鹽完全轉化為硫酸鹽時，NO-N 和SCN-N 的化學計量比接近2.0，這證實了硫氰酸鹽和亞硝酸鹽在NON/SCN-N 比為2.0 時完全被除去［9-10］。

1.2 異養(yǎng)菌降解硫氰酸鹽

除了自養(yǎng)細菌外，還分離出了許多能夠降解硫氰酸鹽的異養(yǎng)菌。這類異養(yǎng)菌的生物化學和代謝能力在硫氧化細菌的詳細水平上沒有被研究，但它們對有機碳源的需求是統(tǒng)一的。這些異養(yǎng)細菌包括不同的屬， 如Ralstonia、Sphingomonas［43］、Klebsiella［44］、Pseudomonas［12］、Arthrobacter［45］和Methylobacterium［46］。其主要利用硫氰酸鹽作為氮源，是從有機碳中獲得能量，而不是從被釋放的還原硫中獲得能量。一些菌株中有替代氮源（如銨）的存在［47］，可抑制硫氰酸鹽的降解，而在另一些菌株中則不然［48］。Lukhanyo 等［49］在某溢油點分離得到耐堿性細菌Pseudomonas aeuginosa，對游離的氰化物和硫氰酸鹽有生物降解能力。

1.3 混合營養(yǎng)菌降解硫氰酸鹽

此外，除了上述所提到的自養(yǎng)和異養(yǎng)菌，還報道了一種混合營養(yǎng)細菌Burkholderia降解硫氰酸鹽，它利用硫氰酸鹽作為唯一氮源，也可氧化硫氰酸鹽中的硫，但是此菌的降解過程需要外加碳源，否則硫氰酸鹽將不會被降解［50］。

1.4 真菌降解硫氰酸鹽

除了上述細菌外，人們發(fā)現(xiàn)了一種真菌Acremonium strictum可以利用硫氰酸鹽［51］。該真菌是從焦爐廢水中分離而來的，在高酚、銨和硝酸鹽存在下，能在中性pH 環(huán)境條件下降解硫氰酸鹽，但對亞硝酸鹽和氰化物有抑制作用。Ozel 等［52］發(fā)現(xiàn)Schizophyllum commune、Polyporus arcularius、Ganoderma applanatum、Pleurotus eryngii、Clavariadelphus truncatus、Cerrena unicolor、Trametes versicolor、Ganoderma lucidum和Schizophyllum commune等真菌也能夠降解氰化物。

2 混合微生物降解硫氰酸鹽

雖然已經發(fā)現(xiàn)許多微生物可以單獨降解硫氰酸鹽，但由于不同物種或種群對不同環(huán)境變化的容忍能力有限，大多數(shù)生物降解系統(tǒng)依賴于混合體系，這可能提高了系統(tǒng)的降解效率。在生物處理研究中，由于混菌共培養(yǎng)體系（即復合菌系）處理符合自然界中微生物降解硫氰酸鹽的規(guī)律，且能避免通常單菌在硫氰酸鹽降解過程中遇到的底物抑制、產物抑制及效率低等問題，并有機結合了多種代謝途徑，降低了單菌降解硫氰酸鹽產生的有害產物對整個降解系統(tǒng)的負面影響，簡化了降解工藝的操作流程［11］。其他非硫氰酸鹽降解菌系的共存也可能通過代謝不受歡迎的副產品（如銨）而產生益處。在共培養(yǎng)或以混合為基礎的生物反應器中、在實驗室、試點和現(xiàn)場規(guī)模上得到了證明。有研究表明，不論是混合培養(yǎng)的活性污泥還是菌系，在硫氰酸鹽的降解中都有廣泛的應用［53］。

2.1 硫氧化菌團

通常氧化細菌控制著硫氰酸鹽降解生物反應體系的效率。這種優(yōu)勢是由于它們在硫氰酸鹽污染的廢物或活性污泥中的活性，以及它們對典型生物反應體系原料的中度鹽堿和中性pH 條件的適應，通常被用作生物反應體系的接種物。在硫氧化細菌中，屬于Thiobacillus菌屬的細菌通常在生物反應體系群落中被發(fā)現(xiàn)［24，54］。例如，從輕度堿化和中等鹽度的金礦尾礦中富集的硫氧化細菌Thiobacillus和Halomonas共同培養(yǎng)，能夠降解硫氰酸鹽［55］。生物反應器中鹽度的增加可能導致Halothiobacillusspp.的優(yōu)勢化［36］。雖然尚不清楚這類細菌中的中度嗜鹽菌株是否可以降解硫氰酸鹽，但Halothiobacillus halophilus/hydrothermalis可以通過氰酸途徑降解硫氰酸鹽，這是已知為數(shù)不多的能夠降解硫氰酸鹽的Halothiobacillus。2010 年，Chaudhari 和Kodam［56］研究了Klebsiella pneumoniae和Ralstoniasp.的混合培養(yǎng)體系，硫氰酸鹽的降解效果可達500 mg/L/day。

有趣的是，盡管Thiobacillusspp.有能力從二氧化碳中固定碳，但在有機碳源的存在下，通常仍然占據(jù)主導地位，如在眾所周知的ASTERTM生物降解系統(tǒng)中供應糖蜜［21，54］。在硫氰酸鹽降解體系中，對與硫桿菌相關的16S rRNA 基因序列的研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)序列屬于T.thioparus、T.thiophilus、T.denitrificans和Thiobacillus sajenensis［24］。有文獻表述T.thioparus和一些T.denitrificans在純培養(yǎng)環(huán)境中可降解硫氰酸鹽［57］。2015 年，一項元基因組學研究研究了兩種不同的硫氰酸鹽降解生物反應體系，一種是含有硫氰酸鹽的進水；另一種是SCN-和CN-的混合物，兩者都以接入Thiobacilli為主［54］。只有硫氰酸鹽的生物反應體系中存在編碼硫氰酸鹽水解酶（Thiocyanate hydrolase，SCNase）的完整基因，并與Thiobacillusspp.有關聯(lián)。這些基因與其他在硫代謝中起作用的基因位于一個含有氰化酶編碼基因的保守操作子中。SCNase和氰化酶基因的共定位可能解釋了純培養(yǎng)研究中這些酶的共同表達［35］。Hussain 等［58］在Afipiaspp.的TH201 菌株中也發(fā)現(xiàn)了SCNase基因。在來自CN-和SCN-生物反應體系中的兩株硫桿菌菌株Thiobacillusspp.和Pseudoncardiaspp.中發(fā)現(xiàn)另一個SCNase基因，以及未被發(fā)現(xiàn)的與硫桿菌降解硫氰化物相關的SCNase［58］。

在降解硫氰酸鹽的微生物群落中也檢測到了其他非降解硫氰酸鹽的硫氧化細菌［23，54］。非降解硫氰酸鹽的硫氧化細菌即Thiomicrospira thermophila，在這種情況下，代謝了進水中的硫代硫酸鹽，并可能再次氧化了降解硫氰酸鹽的微生物所釋放的硫化物［23］。在Kantor 等［54］研究的復雜生物反應體系中，也發(fā)現(xiàn)了一些不能降解硫氰酸鹽的硫氧化細菌，其豐度較低。研究發(fā)現(xiàn)，在分析降解硫氰化物菌系中，沒有發(fā)現(xiàn)編碼羰基硫化物水解酶（Carbonyl sulfide hydrolase，COSase）的基因，這表明其他硫氧化基因有可能進一步氧化COS 分解過程中釋放的硫。因此，使用元基因組組學分析方法確定了幾種硫氧化途徑，盡管只有Thiobacillusspp.。研究表明該屬中的SCNase在硫氰酸鹽降解和硫循環(huán)過程中仍起主要作用。

2.2 氮循環(huán)菌團

異養(yǎng)細菌能夠降解硫氰酸鹽，其氮源通常是以銨態(tài)氮的形式釋放出來的。事實上，降解硫氰酸鹽的一些菌團主要由一些異養(yǎng)細菌菌系組成，包含了已知的降解硫氰酸鹽的異養(yǎng)菌Ralstonia eutropha、Sphingomonas paucimobilis和Pseudomonas sp.［43］。異養(yǎng)硫氰酸鹽降解菌很少被認為是其他硫氰酸鹽降解菌團的成員，如Sphingomonas［54，59］。

除了利用釋放氮的硫氰酸鹽降解菌外，在硫氰酸鹽降解菌團中常發(fā)現(xiàn)一些非硫氰酸鹽降解的氮循環(huán)微生物。在好氧生物反應體系中將硫氰酸鹽轉化為銨的過程中已確定了一些起硝化作用的成員［24，53-54］。在硫氰酸鹽降解生物反應系統(tǒng)中，自養(yǎng)和異養(yǎng)混合菌群的存在下，Ryu 等［53］提出了硫氰酸鹽降解及隨后的硫和氮循環(huán)的概念模型。產生的硝化作用與硫氰酸鹽降解同時發(fā)生，導致亞硝酸鹽和硝酸鹽的增加，這可能是由于Nitrospiraspp.存在于接種體內［54］。有趣的是，該屬的豐度在暴露于硫氰酸鹽時下降，這一觀察被解釋為對硫氰酸鹽氧化產生的銨或亞硝酸的潛在毒性反應。盡管如此，利用硝化細菌的作用，特別是與Nitrobacter、Nitrosospira、Nitrosomonas和Nitrospira有關的硝化細菌，可以從生物反應器中去除銨和亞硝酸鹽［24，54］。Grigor’eva等［60］采用Pseudomonas putita和Pseudomonas stutzeri共培養(yǎng)法降解氰化物和硫氰酸鹽。Kantor 等［54］在宏基因組生物反應器研究中檢測到多形亞硝基螺氨單加氧酶和羥胺氧化還原酶的編碼基因，支持循環(huán)和脫氮的潛力。然而，沒有發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽氧化基因，說明硝化細菌抵消銨對硫氰酸鹽降解的抑制作用的能力可能受到限制。

在一些生物反應器系統(tǒng)中，活性反硝化也被確定為一種有意促進的過程［50］或微生物群體活動的無意影響［54］。前一項研究包括一系列生物反應器，其中一個旨在通過創(chuàng)造厭氧條件促進反硝化。這些反應器中存在反硝化細菌（T.denitrificans），這表明反硝化細菌是一種活躍的反硝化細菌。在后一項研究中發(fā)現(xiàn)，亞硝酸鹽反硝化的基因存在于一個生物反應器聯(lián)合體的多個成員中。在硫桿菌和其他自養(yǎng)生物的基因組中也存在完整的反硝化基因。有幾個基因組含有編碼氰化酶的基因，表明這種中間體作為碳或氮源的生物利用物。有研究還發(fā)現(xiàn)了氨氧化型古細菌在自然環(huán)境中硫氰酸鹽降解中的作用，表明在受硫氰酸鹽污染的地下水中可以刺激它們的生長［61］。

2015 年，有人已經研究了潛在的與真核生物的聯(lián)合營養(yǎng)聯(lián)系，以去除硫氰酸鹽降解生物反應器中的氮［53］。采用細菌/微藻混合培養(yǎng)，其中微藻吸收了以硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨形式積累的氮［53］。值得注意的是，這一過程保持在與硫氰酸鹽降解相同的生物反應器中，使用操作參數(shù)促進所需的代謝，從而支持Thiobacillusspp.的自養(yǎng)條件轉換。在硫氰酸鹽降解階段，受LED 光激活刺激后，細胞內微量鎘和Microactinum的豐度增加。隨著微藻數(shù)量的增加，以前在藻類培養(yǎng)中被稱為共生體的細菌也迅速生長起來。其中最重要的是一種Rhizobium-like 的微生物，它通常需要植物寄主并能固定N2，這突出了這些細菌對微藻活性的潛在支持作用。Kantor 等［54］還檢測到真核生物（genusRhizaria）中編碼亞硝酸鹽還原的基因，表明這種真核生物的作用類似真菌Fusarium oxysporum［62］。

2.3 碳循環(huán)菌團

有機碳的存在可以支持利用硫氰酸鹽作為氮源的異養(yǎng)細菌［42］。有機碳最初以多種方式輸入硫氰酸鹽降解生物反應器，如通過添加不穩(wěn)定的碳源（如糖蜜），促進異養(yǎng)生長。含有硫氰酸鹽焦化廢水中也存在著一種復雜的碳化合物環(huán)境［63］，可被一些異養(yǎng)細菌降解［59］。向硫氰酸鹽降解體系中通入空氣，為自養(yǎng)細菌提供二氧化碳以進行轉化，轉化為可在生物反應器內回收的生物質。在生物降解物的基因組中檢測到了固定碳的基因，包括卡爾文循環(huán)和RuBis CO基因。其占主導地位的是Thiobacillus和Thiomonasspp.［54］。在富含碳的生物反應器中也鑒定出了許多異養(yǎng)真核生物［21］。這些包括可能會代謝有機物或死生物質的真菌、酵母和變形蟲。這些真核生物中有一些與已知會降解CN-的物種密切相關，如F.oxysporum［21］。

3 硫氰酸鹽生物降解的酶途徑及機制

3.1 硫氰酸鹽降解途徑

硫氰酸鹽的生物降解需要通過特定的酶來水解硫氰酸鹽，生成氨、硫化物和二氧化碳［36］。這取決于微生物是否采用羰基硫（Carbonyl sulfide，COS）途徑（1）和（2）或氰酸鹽（CNO-）途徑（3）-（5）和（6）-（9）［64-69］。這兩條途徑構成了硫氰酸鹽降解的主要生物學機制，兩者都是好氧的。前者是通過硫氰酸鹽水解產生的，與羰基硫化物一起形成氨，該中間體可通過羰基硫化物水解酶進一步水解成硫化氫（H2S）［68］。在這個階段，硫化物可以作為硫氧化細菌的電子供體而作為一種反應中間體，羰基硫化物容易從細胞中擴散出來，并且在生物降解過程中可在氣相中檢測到［45］。近年來，由于生物檢測技術的迅速發(fā)展使許多學者對微生物降解硫氰酸鹽的機制有了突破性的認識。

3.1.1 羰基硫途徑 介導硫氰酸鹽降解為羰基硫的特異性酶硫氰酸鹽水解酶（SCNase），首先在T.thioparusTHI 115 中發(fā)現(xiàn)，與細菌腈水合酶具有顯著同源性［69］。后者的研究能夠克隆和測序編碼該酶的α、β 和γ 亞基的基因，分別是scnA、scnB和scnC基因。此后已在其他降解硫氰酸鹽的培養(yǎng)物中鑒定出與該SCNase同源的酶或編碼其產生的基因［35］。從嗜溫菌中分離出另一種新穎的產SCNase的硫氰酸鹽降解株THI 201，與之前鑒定的T.thioparusTHI 115 或T.thiocyanoxidans的SCNase同 源 性 很 小［58］。羰基硫介導的硫氰酸鹽降解途徑如圖1 所示。

圖1 羰基硫介導硫氰酸鹽降解

3.1.2 氰酸鹽途徑 氰酸介導的硫氰酸鹽降解途徑如圖2 所示。氰酸鹽途徑最初用于Thiobacillus thiocyanoxidans中，現(xiàn)在已被分類包含在T.thioparus中［57］。盡管氰酸鹽作為一種中間體沒有明顯的積累，但由于存在一種酶，即氰酶氰或酸酯酶（Cyanase，CYN）［70-71］，能夠將氰酸鹽水解成氨和二氧化碳，因此提出了這一途徑。然而，氰化酶的活性廣泛表達在細菌和植物中，不能降解硫氰酸鹽［72］。它的存在并不一定表明它具有代謝硫氰酸鹽的能力。事實上，氰酸鹽途徑最重要的證據(jù)來自于Thioalkalivibrio成員積累的氰酸鹽，這些成員缺乏或抑制了氰酸酶的活性［37］。已知研究還沒有發(fā)現(xiàn)硫化物生成的證據(jù)，而是將元素硫作為反應產物，偏離了所提出的方程（3）。盡管有關于利用氰酸鹽途徑的證據(jù)，但仍未鑒定出將硫氰酸鹽轉化為氰酸鹽的酶。

Stratfod 等［73］從以硫氰酸鹽為氮源和硫源的土壤中分離出一株革蘭氏陰性異養(yǎng)細菌。氰酸酯是該菌代謝反應中間體之一。與其他研究過的細菌不同，四硫酸鹽而不是硫酸鹽是硫代謝的最終產物。作者認為，該菌可將硫化物氧化為硫代硫酸鹽，再氧化為四硫代酸鹽。他們還假設，由于硫酸鹽的最終氧化發(fā)生在細胞質中，細菌無法在細胞質膜上轉運四硫酸鹽。提出了以下反應順序［67］：

3.1.3 代謝產物 兩種降解途徑都有氨的生成，然而微生物修復硫氰酸鹽廢水產生的氨有時并不能被完全硝化，尤其是單一微生物降解硫氰酸鹽的終產物會有氨的累積［33，36］。如何減少硫氰酸鹽降解過程中氨的產生成為了新的研究方向，有學者發(fā)現(xiàn)硫氰酸鹽降解菌與硝化菌共培養(yǎng)時氨可能會被完全代謝，并提出了硝化途徑（10-13）［10，74-76］，當此過程進行不完全時會有亞硝酸鹽的積累。Chung、Li 和Ramos 等［77-79］認為脫硝工藝利用有機碳源或氫、鐵、硫化物等無機物作為電子給體減少廢水中的亞硝酸鹽。因此，脫氮還需要一定量的無機物（電子給體）或有機碳源才能完全去除亞硝酸鹽。硫氰酸鹽降解過程中硫被氧化成硫化物的形式，但未檢測到SO2產生。

圖2 氰酸鹽介導硫氰酸鹽降解

3.2 微生物降解硫氰酸鹽機制

環(huán)境異生質硫氰酸鹽污染物的高效微生物降解一直是世界各國爭相關注的焦點，而硫氰酸鹽降解機制的解析是研究熱點。國內外學者、專家通常利用基因組測序分析、轉錄組測序分析及代謝組學分析闡述微生物降解硫氰酸鹽的機制。單一微生物降解硫氰酸鹽的機制比較簡單，如自養(yǎng)型微生物利用硫氰酸鹽中的硫源來生長［33-34，36］，異養(yǎng)型微生物利用硫氰酸鹽中的氮源和外源碳源來生長［38，44，47］，它們降解硫氰酸鹽的通路可能只有一條。而混合微生物降解硫氰酸鹽的機制比較復雜，主要是存在協(xié)同作用［12，31，40，67］，如硫氰酸鹽降解菌與硝化細菌共培養(yǎng)體系，微生物降解硫氰酸鹽產生的NH4+會被硝化細菌利用，它們協(xié)同代謝促進硫氰酸鹽的降解［5，8-10，69］。又如多種可降解硫氰酸鹽的不同微生物共培養(yǎng)體系中可能會出現(xiàn)多條不同的代謝途徑，它們不會因為某一條代謝途徑中斷而停止硫氰酸鹽的降解，這種情況在活性污泥中普遍存在。不論單一微生物還是混合微生物，它們在降解硫氰酸鹽時必需先要分泌硫氰酸鹽水解酶?；旌衔⑸锝到饬蚯杷猁}可能并不是每一種微生物都分泌硫氰酸鹽水解酶，其中的某些微生物可能是利用中間代謝產物生長繁殖的［8，31，40，69］。

4 微生物降解硫氰酸鹽的主要影響因素

微生物在修復硫氰酸鹽廢水的過程中，其修復能力既受微生物本身的影響，也受外部環(huán)境因素的影響，適合的外部環(huán)境對微生物修復硫氰酸鹽廢水至關重要。為了確保微生物高效的生長、代謝和繁殖，不少學者們分別針對不同的微生物研究了溫度、pH 值、溶解氧、硫氰酸鹽濃度、無機鹽濃度、外加營養(yǎng)物質及代謝產物濃度對微生物降解硫氰酸鹽的影響，當然相同因素對不同微生物的影響原因也不盡相同。表2 列舉了微生物降解硫氰酸鹽的主要影響因素。

表2 微生物降解硫氰酸鹽的主要影響因素

5 微生物降解硫氰酸鹽的意義及存在的問題

硫氰酸鹽廢水作為一種常見的工業(yè)廢水，廣泛存在于焦化、煉金、輕紡、印染和橡膠等工業(yè)生產中。研究表明，硫氰酸鹽屬于生物難降解物質，是廢水COD 的重要來源，因其毒性大、危害重，對生物體影響巨大，嚴重危害人類身體健康和生態(tài)環(huán)境，給水安全帶來嚴重隱患，是當前亟需在全球范圍內進行有效治理的污染物。通常修復硫氰酸鹽污水有物理吸附、化學氧化和生物降解等方法，其中生物降解法中應用最多的是微生物降解法。微生物具有體積小、比表面積大、繁殖能力強等特點，能不斷與周圍環(huán)境快速進行物質交換。硫氰酸鹽的組成成分（C、N、S）具備微生物生長繁殖的主要條件，因而微生物能從硫氰酸鹽廢水中獲取養(yǎng)分，同時降解和利用硫氰酸鹽，使污水得到修復。微生物在培養(yǎng)過程中還可以對其馴化，使其適應不同的水質條件。在硫氰酸鹽廢水的降解研究中，微生物以其降解速度快、效率高，適應環(huán)境能力強，生存條件溫和，廢水處理量大，運行費用低廉等優(yōu)勢成為該領域的主要研究對象。

由于廢水的成分復雜多變，在利用微生物降解廢水中硫氰酸鹽也遇到了一些問題。同一微生物或微生物群在處理不同環(huán)境、成分廢水中硫氰酸鹽時出現(xiàn)不同的效果差異。例如，嗜酸性微生物在酸性條件下降解速率快、效果好，而在中性或堿性條件下降解硫氰酸鹽的速率慢、效果差。又如利用微生物降解氨氮含量較高的廢水中硫氰酸鹽會比氨氮含量低的效率低，當然也有學者提出利用硫氰酸鹽降解菌與硝化菌共培養(yǎng)體系去修復含氨氮及硫氰酸鹽較高的廢水，但是要想達到完全修復的條件比較苛刻，當NO-N/SCN-N 比為2.0 時可被完全降解［9-10］?？量痰臈l件給實際生產應用帶來不便，如何高效降解硫氰酸鹽的同時使氨氮等副產物的減少是現(xiàn)如今面臨的一大問題。這就需要在不同條件下對降解硫氰酸鹽的微生物進行馴化，以期達到適應各種成分、環(huán)境的廢水體系。

6 結論與展望

利用微生物降解環(huán)境異生質硫氰酸鹽廢水是一種經濟、高效、便捷的可持續(xù)性方法，與非生物方法相比，微生物修復硫氰酸鹽是一種越來越廣泛的應用方法。近年來對微生物降解硫氰酸鹽的研究越來越深入，對其深層次的降解途徑及機制有了新的見解。多種微生物協(xié)同降解硫氰酸鹽已成為研究主流，協(xié)同機制的解析也日益明了。但是由于廢水成分復雜、環(huán)境等條件以致微生物降解硫氰酸鹽在應用實際工廠中通常存在局限性。未來我們研究的方向就是要突破局限，使實驗室成果更好的應用到實際生產中。隨著高通量測序與轉錄組測序技術的發(fā)展，使人們能夠深入了解菌體的代謝方式和遺傳多樣性。此外，通過了解限制硫氰酸鹽生物降解的關鍵過程或通過優(yōu)化其組成元素（碳、硫和氮）的氧化還原循環(huán)以及添加微生物代謝所必須的無機鹽，這些信息有助于改進當前或未來的生物技術方法。分子測序技術和轉錄組學的發(fā)展突出了硫桿菌屬在許多硫氰酸鹽降解體系中的優(yōu)勢地位，并指出硫循環(huán)對硫氰酸鹽生物降解的重要性。研究發(fā)現(xiàn)，氮循環(huán)是一個關鍵的代謝過程，根據(jù)反應體系的條件，從硫氰酸鹽降解中釋放出的銨可以通過硝化或反硝化作用被同化成生物量。通過對這些過程的分析，促進反硝化細菌的生長，開發(fā)了旨在去除氨氮的新型反應體系。體系中復雜的碳循環(huán)也揭示了異養(yǎng)和自養(yǎng)微生物的作用。自養(yǎng)硫氰酸鹽降解菌在體系中占絕對優(yōu)勢表明，有效降解硫氰酸鹽可能不需要外加碳源。

未來利用多種科學技術，如高通量測序、轉錄組學分析等結合是研究微生物降解硫氰酸鹽的一個技術方向。這些技術的發(fā)展極大地提高了人們對硫氰酸鹽生物降解體系中微生物群落動態(tài)和遺傳特性的了解。這有助于開發(fā)出更有效、更經濟的生物降解方法，具有多種代謝功能，可根據(jù)廢水的化學成分量身定做。未來我們要突破廢水的復雜性與環(huán)境的多變性，使微生物更好的適應廢水環(huán)境去降解異生質硫氰酸鹽。與此同時，基因工程菌的開發(fā)也是一個新的研究熱點。該方法不僅對硫氰酸鹽降解具有重要意義，而且對其它污染物降解的生物技術方法的發(fā)展和優(yōu)化具有重要意義。因此，今后應該致力于實際研究，使實驗室中的成果適用于復雜的環(huán)境體系。