肖小雙 安雪姣 葉晗媛 王林平 鐘斌 張慶華

（1. 江西省農(nóng)業(yè)微生物資源開發(fā)與利用工程實(shí)驗(yàn)室 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330045；2. 南昌市國(guó)昌環(huán)?？萍加邢薰?，南昌 330006）

隨著社會(huì)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(jī)及無機(jī)且難以處理的污染物，成分復(fù)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(nèi)進(jìn)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(xué)穩(wěn)定性化合物，由硫化物或硫代硫酸鹽與氰化物反應(yīng)形成［1-2］。被硫氰酸鹽污染的水可以從無襯里或結(jié)構(gòu)受損的污水儲(chǔ)存設(shè)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(jì)40 年代就被認(rèn)識(shí)，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(shì)［2，5-7］。用于煉鋼的焦炭生產(chǎn)產(chǎn)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(dāng)廢水中硫氰酸鹽含量較高時(shí)，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(xué)氧化和物理吸附［2］。化學(xué)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(xué)氧化處理的效果較好，但實(shí)施的成本較高，需要投入大量的試劑或產(chǎn)生大量的危險(xiǎn)廢物。以氯酸鈉氧化法去除硫氰酸鹽為例，首先對(duì)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(jīng)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(luò)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(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)?；瘜W(xué)氧化法和物理吸附法不符合低投入、高回報(bào)的目的，為此科學(xué)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(nèi)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?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）擴(kuò)增的核糖體基因測(cè)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(gè)微生物群落的全部代謝潛力和彼此間的化學(xué)聯(lián)系。近年來，雖然Gould、Watts、Mahendran 等［2，25-26］總結(jié)了微生物降解硫氰酸鹽的研究進(jìn)展，但還是不夠全面。涉及基因組測(cè)序和元基因組DNA 測(cè)序的新研究發(fā)現(xiàn)了新的信息，有關(guān)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(tuán)被發(fā)現(xiàn)。此外，新的實(shí)驗(yàn)揭示了微生物代謝硫、氮和碳間的循環(huán)相互作用，從而對(duì)硫氰酸鹽生物降解技術(shù)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了重要的啟示。

本文通過總結(jié)當(dāng)前有關(guān)降解硫氰酸鹽的關(guān)鍵微生物和過程的知識(shí)，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(zhǎng)所需的營(yíng)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(jìn)行生長(zhǎng)，并形成SO42-、CO2和NH4+等代謝產(chǎn)物。表1 列舉了許多學(xué)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(xì)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(xué)營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌利用硫氰酸鹽降解初期釋放的還原硫作為生長(zhǎng)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(xì)菌也可以直接利用其他還原硫來生長(zhǎng)，如硫化物、多硫化物、元素硫或硫代硫酸鹽［38］，有時(shí)會(huì)優(yōu)先于硫氰酸鹽［39］。除了這些細(xì)菌利用硫作為能源外，還報(bào)告了硫氰酸鹽釋放的氮轉(zhuǎn)化為氨的利用情況［40］。然而，在pH 10 的條件下，當(dāng)氨濃度為2 mmol/L-3 mmol/L 時(shí)，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(xì)菌需要氧氣氧化硫，但也有些細(xì)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(shí)去除廢水中的硫氰酸鹽和氮，當(dāng)硫氰酸鹽完全轉(zhuǎn)化為硫酸鹽時(shí)，NO-N 和SCN-N 的化學(xué)計(jì)量比接近2.0，這證實(shí)了硫氰酸鹽和亞硝酸鹽在NON/SCN-N 比為2.0 時(shí)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(xì)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(xué)和代謝能力在硫氧化細(xì)菌的詳細(xì)水平上沒有被研究，但它們對(duì)有機(jī)碳源的需求是統(tǒng)一的。這些異養(yǎng)細(xì)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(jī)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(diǎn)分離得到耐堿性細(xì)菌Pseudomonas aeuginosa，對(duì)游離的氰化物和硫氰酸鹽有生物降解能力。

1.3 混合營(yíng)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(bào)道了一種混合營(yíng)養(yǎng)細(xì)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(huì)被降解［50］。

1.4 真菌降解硫氰酸鹽

除了上述細(xì)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?fàn)t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(duì)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(jīng)發(fā)現(xiàn)許多微生物可以單獨(dú)降解硫氰酸鹽，但由于不同物種或種群對(duì)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(fù)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(chǎn)物抑制及效率低等問題，并有機(jī)結(jié)合了多種代謝途徑，降低了單菌降解硫氰酸鹽產(chǎn)生的有害產(chǎn)物對(duì)整個(gè)降解系統(tǒng)的負(fù)面影響，簡(jiǎn)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(chǎn)品（如銨）而產(chǎn)生益處。在共培養(yǎng)或以混合為基礎(chǔ)的生物反應(yīng)器中、在實(shí)驗(yàn)室、試點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)用［53］。

2.1 硫氧化菌團(tuán)

通常氧化細(xì)菌控制著硫氰酸鹽降解生物反應(yīng)體系的效率。這種優(yōu)勢(shì)是由于它們?cè)诹蚯杷猁}污染的廢物或活性污泥中的活性，以及它們對(duì)典型生物反應(yīng)體系原料的中度鹽堿和中性pH 條件的適應(yīng)，通常被用作生物反應(yīng)體系的接種物。在硫氧化細(xì)菌中，屬于Thiobacillus菌屬的細(xì)菌通常在生物反應(yīng)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(xì)菌Thiobacillus和Halomonas共同培養(yǎng)，能夠降解硫氰酸鹽［55］。生物反應(yīng)器中鹽度的增加可能導(dǎo)致Halothiobacillusspp.的優(yōu)勢(shì)化［36］。雖然尚不清楚這類細(xì)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(dá)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(jī)碳源的存在下，通常仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，如在眾所周知的ASTERTM生物降解系統(tǒng)中供應(yīng)糖蜜［21，54］。在硫氰酸鹽降解體系中，對(duì)與硫桿菌相關(guān)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(xiàn)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(xiàng)元基因組學(xué)研究研究了兩種不同的硫氰酸鹽降解生物反應(yīng)體系，一種是含有硫氰酸鹽的進(jìn)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(yīng)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(guān)聯(lián)。這些基因與其他在硫代謝中起作用的基因位于一個(gè)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(dá)［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(yīng)體系中的兩株硫桿菌菌株Thiobacillusspp.和Pseudoncardiaspp.中發(fā)現(xiàn)另一個(gè)SCNase基因，以及未被發(fā)現(xiàn)的與硫桿菌降解硫氰化物相關(guān)的SCNase［58］。

在降解硫氰酸鹽的微生物群落中也檢測(cè)到了其他非降解硫氰酸鹽的硫氧化細(xì)菌［23，54］。非降解硫氰酸鹽的硫氧化細(xì)菌即Thiomicrospira thermophila，在這種情況下，代謝了進(jìn)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(fù)雜生物反應(yīng)體系中，也發(fā)現(xiàn)了一些不能降解硫氰酸鹽的硫氧化細(xì)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(jìn)一步氧化COS 分解過程中釋放的硫。因此，使用元基因組組學(xué)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(tuán)

異養(yǎng)細(xì)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(shí)上，降解硫氰酸鹽的一些菌團(tuán)主要由一些異養(yǎng)細(xì)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(rèn)為是其他硫氰酸鹽降解菌團(tuán)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(tuán)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(yīng)體系中將硫氰酸鹽轉(zhuǎn)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(yīng)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(chǎn)生的硝化作用與硫氰酸鹽降解同時(shí)發(fā)生，導(dǎo)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(nèi)［54］。有趣的是，該屬的豐度在暴露于硫氰酸鹽時(shí)下降，這一觀察被解釋為對(duì)硫氰酸鹽氧化產(chǎn)生的銨或亞硝酸的潛在毒性反應(yīng)。盡管如此，利用硝化細(xì)菌的作用，特別是與Nitrobacter、Nitrosospira、Nitrosomonas和Nitrospira有關(guān)的硝化細(xì)菌，可以從生物反應(yīng)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(yīng)器研究中檢測(cè)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(xì)菌抵消銨對(duì)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(yīng)器系統(tǒng)中，活性反硝化也被確定為一種有意促進(jìn)的過程［50］或微生物群體活動(dòng)的無意影響［54］。前一項(xiàng)研究包括一系列生物反應(yīng)器，其中一個(gè)旨在通過創(chuàng)造厭氧條件促進(jìn)反硝化。這些反應(yīng)器中存在反硝化細(xì)菌（T.denitrificans），這表明反硝化細(xì)菌是一種活躍的反硝化細(xì)菌。在后一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，亞硝酸鹽反硝化的基因存在于一個(gè)生物反應(yīng)器聯(lián)合體的多個(gè)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(gè)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(xì)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(zhǎng)［61］。

2015 年，有人已經(jīng)研究了潛在的與真核生物的聯(lián)合營(yíng)養(yǎng)聯(lián)系，以去除硫氰酸鹽降解生物反應(yīng)器中的氮［53］。采用細(xì)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(yīng)器中，使用操作參數(shù)促進(jìn)所需的代謝，從而支持Thiobacillusspp.的自養(yǎng)條件轉(zhuǎn)換。在硫氰酸鹽降解階段，受LED 光激活刺激后，細(xì)胞內(nèi)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(xì)菌也迅速生長(zhǎng)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(xì)菌對(duì)微藻活性的潛在支持作用。Kantor 等［54］還檢測(cè)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(tuán)

有機(jī)碳的存在可以支持利用硫氰酸鹽作為氮源的異養(yǎng)細(xì)菌［42］。有機(jī)碳最初以多種方式輸入硫氰酸鹽降解生物反應(yīng)器，如通過添加不穩(wěn)定的碳源（如糖蜜），促進(jìn)異養(yǎng)生長(zhǎng)。含有硫氰酸鹽焦化廢水中也存在著一種復(fù)雜的碳化合物環(huán)境［63］，可被一些異養(yǎng)細(xì)菌降解［59］。向硫氰酸鹽降解體系中通入空氣，為自養(yǎng)細(xì)菌提供二氧化碳以進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為可在生物反應(yīng)器內(nèi)回收的生物質(zhì)。在生物降解物的基因組中檢測(cè)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(dǎo)地位的是Thiobacillus和Thiomonasspp.［54］。在富含碳的生物反應(yīng)器中也鑒定出了許多異養(yǎng)真核生物［21］。這些包括可能會(huì)代謝有機(jī)物或死生物質(zhì)的真菌、酵母和變形蟲。這些真核生物中有一些與已知會(huì)降解CN-的物種密切相關(guān)，如F.oxysporum［21］。

3 硫氰酸鹽生物降解的酶途徑及機(jī)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(gòu)成了硫氰酸鹽降解的主要生物學(xué)機(jī)制，兩者都是好氧的。前者是通過硫氰酸鹽水解產(chǎn)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(jìn)一步水解成硫化氫（H2S）［68］。在這個(gè)階段，硫化物可以作為硫氧化細(xì)菌的電子供體而作為一種反應(yīng)中間體，羰基硫化物容易從細(xì)胞中擴(kuò)散出來，并且在生物降解過程中可在氣相中檢測(cè)到［45］。近年來，由于生物檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展使許多學(xué)者對(duì)微生物降解硫氰酸鹽的機(jī)制有了突破性的認(rèn)識(shí)。

3.1.1 羰基硫途徑 介導(dǎo)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(xì)菌腈水合酶具有顯著同源性［69］。后者的研究能夠克隆和測(cè)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(chǎn)生的基因［35］。從嗜溫菌中分離出另一種新穎的產(chǎn)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 ?。?8］。羰基硫介導(dǎo)的硫氰酸鹽降解途徑如圖1 所示。

圖1 羰基硫介導(dǎo)硫氰酸鹽降解

3.1.2 氰酸鹽途徑 氰酸介導(dǎo)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?qū)⑶杷猁}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(dá)在細(xì)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(shí)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(yīng)產(chǎn)物，偏離了所提出的方程（3）。盡管有關(guān)于利用氰酸鹽途徑的證據(jù)，但仍未鑒定出將硫氰酸鹽轉(zhuǎn)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(xì)菌。氰酸酯是該菌代謝反應(yīng)中間體之一。與其他研究過的細(xì)菌不同，四硫酸鹽而不是硫酸鹽是硫代謝的最終產(chǎn)物。作者認(rèn)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(shè)，由于硫酸鹽的最終氧化發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中，細(xì)菌無法在細(xì)胞質(zhì)膜上轉(zhuǎn)運(yùn)四硫酸鹽。提出了以下反應(yīng)順序［67］：

3.1.3 代謝產(chǎn)物 兩種降解途徑都有氨的生成，然而微生物修復(fù)硫氰酸鹽廢水產(chǎn)生的氨有時(shí)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(chǎn)物會(huì)有氨的累積［33，36］。如何減少硫氰酸鹽降解過程中氨的產(chǎn)生成為了新的研究方向，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)硫氰酸鹽降解菌與硝化菌共培養(yǎng)時(shí)氨可能會(huì)被完全代謝，并提出了硝化途徑（10-13）［10，74-76］，當(dāng)此過程進(jìn)行不完全時(shí)會(huì)有亞硝酸鹽的積累。Chung、Li 和Ramos 等［77-79］認(rèn)為脫硝工藝?yán)糜袡C(jī)碳源或氫、鐵、硫化物等無機(jī)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(jī)物（電子給體）或有機(jī)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(cè)到SO2產(chǎn)生。

圖2 氰酸鹽介導(dǎo)硫氰酸鹽降解

3.2 微生物降解硫氰酸鹽機(jī)制

環(huán)境異生質(zhì)硫氰酸鹽污染物的高效微生物降解一直是世界各國(guó)爭(zhēng)相關(guān)注的焦點(diǎn)，而硫氰酸鹽降解機(jī)制的解析是研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者、專家通常利用基因組測(cè)序分析、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析及代謝組學(xué)分析闡述微生物降解硫氰酸鹽的機(jī)制。單一微生物降解硫氰酸鹽的機(jī)制比較簡(jiǎn)單，如自養(yǎng)型微生物利用硫氰酸鹽中的硫源來生長(zhǎng)［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(zhǎng)［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(jī)制比較復(fù)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(xì)菌共培養(yǎng)體系，微生物降解硫氰酸鹽產(chǎn)生的NH4+會(huì)被硝化細(xì)菌利用，它們協(xié)同代謝促進(jìn)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(huì)出現(xiàn)多條不同的代謝途徑，它們不會(huì)因?yàn)槟骋粭l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?cè)诮到饬蚯杷猁}時(shí)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(chǎn)物生長(zhǎng)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(fù)硫氰酸鹽廢水的過程中，其修復(fù)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(duì)微生物修復(fù)硫氰酸鹽廢水至關(guān)重要。為了確保微生物高效的生長(zhǎng)、代謝和繁殖，不少學(xué)者們分別針對(duì)不同的微生物研究了溫度、pH 值、溶解氧、硫氰酸鹽濃度、無機(jī)鹽濃度、外加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及代謝產(chǎn)物濃度對(duì)微生物降解硫氰酸鹽的影響，當(dāng)然相同因素對(duì)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(chǎn)中。研究表明，硫氰酸鹽屬于生物難降解物質(zhì)，是廢水COD 的重要來源，因其毒性大、危害重，對(duì)生物體影響巨大，嚴(yán)重危害人類身體健康和生態(tài)環(huán)境，給水安全帶來嚴(yán)重隱患，是當(dāng)前亟需在全球范圍內(nèi)進(jìn)行有效治理的污染物。通常修復(fù)硫氰酸鹽污水有物理吸附、化學(xué)氧化和生物降解等方法，其中生物降解法中應(yīng)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(qiáng)等特點(diǎn)，能不斷與周圍環(huán)境快速進(jìn)行物質(zhì)交換。硫氰酸鹽的組成成分（C、N、S）具備微生物生長(zhǎng)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(shí)降解和利用硫氰酸鹽，使污水得到修復(fù)。微生物在培養(yǎng)過程中還可以對(duì)其馴化，使其適應(yīng)不同的水質(zhì)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(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，生存條件溫和，廢水處理量大，運(yùn)行費(fèi)用低廉等優(yōu)勢(shì)成為該領(lǐng)域的主要研究對(duì)象。

由于廢水的成分復(fù)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(shí)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(huì)比氨氮含量低的效率低，當(dāng)然也有學(xué)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(fù)含氨氮及硫氰酸鹽較高的廢水，但是要想達(dá)到完全修復(fù)的條件比較苛刻，當(dāng)NO-N/SCN-N 比為2.0 時(shí)可被完全降解［9-10］?？量痰臈l件給實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用帶來不便，如何高效降解硫氰酸鹽的同時(shí)使氨氮等副產(chǎn)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(duì)降解硫氰酸鹽的微生物進(jìn)行馴化，以期達(dá)到適應(yīng)各種成分、環(huán)境的廢水體系。

6 結(jié)論與展望

利用微生物降解環(huán)境異生質(zhì)硫氰酸鹽廢水是一種經(jīng)濟(jì)、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(fù)硫氰酸鹽是一種越來越廣泛的應(yīng)用方法。近年來對(duì)微生物降解硫氰酸鹽的研究越來越深入，對(duì)其深層次的降解途徑及機(jī)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(jī)制的解析也日益明了。但是由于廢水成分復(fù)雜、環(huán)境等條件以致微生物降解硫氰酸鹽在應(yīng)用實(shí)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(shí)驗(yàn)室成果更好的應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。隨著高通量測(cè)序與轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)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(guān)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(jī)鹽，這些信息有助于改進(jìn)當(dāng)前或未來的生物技術(shù)方法。分子測(cè)序技術(shù)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)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(shì)地位，并指出硫循環(huán)對(duì)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(gè)關(guān)鍵的代謝過程，根據(jù)反應(yīng)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(duì)這些過程的分析，促進(jìn)反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，開發(fā)了旨在去除氨氮的新型反應(yīng)體系。體系中復(fù)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(duì)優(yōu)勢(shì)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(xué)技術(shù)，如高通量測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析等結(jié)合是研究微生物降解硫氰酸鹽的一個(gè)技術(shù)方向。這些技術(shù)的發(fā)展極大地提高了人們對(duì)硫氰酸鹽生物降解體系中微生物群落動(dòng)態(tài)和遺傳特性的了解。這有助于開發(fā)出更有效、更經(jīng)濟(jì)的生物降解方法，具有多種代謝功能，可根據(jù)廢水的化學(xué)成分量身定做。未來我們要突破廢水的復(fù)雜性與環(huán)境的多變性，使微生物更好的適應(yīng)廢水環(huán)境去降解異生質(zhì)硫氰酸鹽。與此同時(shí)，基因工程菌的開發(fā)也是一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。該方法不僅對(duì)硫氰酸鹽降解具有重要意義，而且對(duì)其它污染物降解的生物技術(shù)方法的發(fā)展和優(yōu)化具有重要意義。因此，今后應(yīng)該致力于實(shí)際研究，使實(shí)驗(yàn)室中的成果適用于復(fù)雜的環(huán)境體系。