微生物与硫的生物地球化学循环

硫是自然界中最丰富的元素之一，硫元素以有机硫化物R-SH和无机硫化合物H2S、S和SO42－等存在。硫是一种重要的生物营养元素，是一些必需氨基酸、维生素和辅酶的组成成分。不同硫形式之间可以相互转化，而且这些相互转化都有微生物参与，构成了硫的生物地球化学循环（图10-18）。微生物在硫素循环过程中发挥了重要作用，主要包括脱硫作用、硫化作用和反硫化作用。

图10-18 硫素循环简图

（一）含硫有机物的脱硫作用

自然界的含硫有机物主要是蛋白质，蛋白质中含有许多含硫氨基酸，如胱氨酸、半胱氨酸和甲硫氨酸等。因此一般蛋白质的氨化过程伴随有脱硫过程。含硫有机物经微生物分解形成硫化氢的过程即脱硫作用。凡能将含氮有机物分解产氨的氨化微生物都具有脱硫作用，相应的氨化微生物也可称为脱硫微生物。

其分解的一般过程为：

含硫蛋白质→含硫氨基酸→NH3＋H2S＋有机酸

含硫蛋白质经微生物的脱硫作用形成的硫化氢，在好氧条件下通过硫化作用氧化为硫酸盐后，作为硫营养被植物和微生物利用。在无氧条件下，硫化氢可积累于环境中，一旦超过某种浓度可危害植物和其他生物。

（二）硫化作用

某些微生物可将S、H2S、Fe S2、S2O32－和S4O62－等还原态无机硫化物氧化生成硫酸，这一过程称为硫化作用。

凡能将还原态硫化物氧化为氧化态硫化合物的细菌称为硫化细菌。具有硫化作用的细菌种类较多，主要有化能自养型细菌类、厌氧光合自养细菌类和极端嗜酸嗜热的古菌类三类。

化能自养型细菌类的典型代表是硫杆菌属（Thiobacillus）的细菌，大多营严格化能自养型生活。各个种的主要能源和特征列于表10-4。它们在有氧条件下推动下列反应将硫化物氧化为元素硫或将元素硫氧化为硫酸，并从中获得能源。

① H2S＋0.5O2→S0＋H2O

② S0＋1.5O2＋H2O→H2SO4

表10-4 部分硫杆菌属种的特征

引自李阜棣，胡正嘉.微生物学.北京：中国农业出版社，2000。

这是一群G－、无芽孢、极生鞭毛的小杆菌，细胞内不积累硫滴；广泛分布于各种含硫矿环境中，尤其是含硫矿的矿尾水中。由于它们的生命活动，可使矿尾水pH降得很低。

第二类是厌氧性光合自养型的紫硫细菌和绿硫细菌。这类细菌在还原CO2时，以H2S、S、S2O32－等还原态无机硫化物作为电子供体，生成较为氧化态的元素硫，生成的元素硫硫滴或积累于细胞内或排出胞外。而着色菌属（Chromatium）在以光为能源，以H2S或H2为电子供体时氧化生成的是硫酸而不是元素硫，因此也就没有硫滴形成：

2CO2＋H2S＋2H2O→2［CH2O］＋H2SO4

其实着色菌属并不是严格的自养型，也能利用乙酸等低碳有机物进行光能异养代谢。而绿菌属（Chlorobium）是严格的厌氧光能自养型，利用还原态硫或H2为电子供体。

第三类是极端嗜酸嗜热的氧化元素硫的古菌，它们分布于含硫热泉、陆地和海洋火山爆发区、泥沼地、土壤等一些极端环境中，推动着这些环境中还原态硫的氧化。某些种具有很强的氧化能力，如硫化叶菌（Sulfolobus）能氧化元素S和FeS，酸菌（Acidianus）能氧化元素S。

（三）反硫化作用

在厌氧条件下元素硫和硫酸盐等含氧硫化合物可被某些厌氧细菌还原生成为H2S，这一过程称为异化型元素硫还原作用和硫酸盐还原作用，也称反硫化作用，这类细菌称为硫酸盐还原细菌或反硫化细菌。

硫酸盐还原细菌是一类严格厌氧的具有各种形态特征的细菌，也有少数古菌。现已发现27个属细菌中的一些种具有还原硫酸盐的能力。典型代表如脱硫弧菌属（Desulfovibrio）、脱硫肠状菌属（Desulfotomaculum）等。它们的共同生理特征是能将元素硫或硫酸盐还原生成H2S。可以各种有机物或H2作为电子供体，以元素硫或硫酸盐作电子受体。大多数营有机营养型，有机酸特别是乳酸、丙酮酸等及糖类、芳香族化合物等都可被用作碳源和能源。少数营无机营养型，可以H2为电子供体。脱硫作用的化学反应式如下：

4H2＋2H＋＋SO42－→S2－＋4H2O＋2H＋

C6H12O6＋3H2SO4→6CO2＋6H2O＋3H2S

硫酸盐还原细菌主要分布于富含有机质和硫酸盐的厌氧生境和某些极端环境中，如海洋沉积物、淹水稻田土壤、河流和湖泊沉积物、沼泥等。土壤中H2S累积过多时，可对植物根系产生毒害。尤其在早春低温时，形成的H2S使水稻秧苗久栽不发。水域中H2S过多时可毒死鱼类等需氧生物，且水质发出恶臭，弥漫于空气中，令人极不愉快，甚至出现中毒症状。因此，含硫有机废水不宜直接排放进入水域、土壤等环境，否则极易造成严重污染。