3.3 生物滴滤池中甲硫醇的降解
甲硫醇去除率（R）和去除容量（Rc）按以下公式计算：R = (Cin - Cout)/Cin，Rc = (Cin - Cout)Q/V，其中Cin为进口浓度，Cout为出口浓度，Q为气体流量，V为塔的空体积。以火山岩为载体材料的串联运行生物滴滤池（图1）通过接种多粘类芽孢杆菌CZ05培养物进行启动。串联运行生物滴滤池中选择1号培养基作为循环液，流量6 L/h。实验开始时，第一生物反应器中不鼓泡空气，第二填充塔不使用。本实验初始氮气流量为0.03 m³/h，EBRT为180秒，甲硫醇浓度约10 ppm。启动期间第一生物滤池出口甲硫醇浓度为2 ppm。随后以0.01 m³/h流量向第一生物反应器鼓泡空气（启用第二填充塔）。第一生物滤池出口甲硫醇浓度约0.1 ppm。3天后，进口甲硫醇浓度增加至20 ppm。尽管空气流量和循环液流量发生变化，出口甲硫醇浓度仍未降至5 ppm以下（图3a）。此阶段循环液pH约6.0。选择1号培养基作为循环液时，R约70%，Rc为40 mmol/m³·h。
随后选择4号培养基作为串联运行生物滴滤池的循环液。其他操作条件保持不变。当实验氮气流量设定为0.03 m³/h、EBRT为180秒、甲硫醇浓度约10 ppm时，第一塔出口甲硫醇浓度约0.1 ppm，但3天内增加至约1 ppm。以0.01 m³/h流量向第一生物反应器鼓泡空气（同样启用第二填充塔），第一塔出口甲硫醇浓度设定为低于检测限（<0.05 ppm）。3天后进口甲硫醇浓度增加至20 ppm，导致第一塔出口甲硫醇浓度瞬时增加。随后3天内甲硫醇浓度降至检测限以下。第13天，流量增加至0.09 m³/h，EBRT降至60秒。出口浓度增加至10 ppm，但随后2天内降至0.1 ppm。第16天，流量进一步增加至约0.18 m³/h，EBRT降至30秒。由于负荷增加，出口甲硫醇浓度增加至16 ppm，但随后3天内降至0.1 ppm。随后进口甲硫醇浓度逐渐增加（第20至25天为40 ppm；第25天起为60 ppm）（图3b）。这种逐渐增加导致出口甲硫醇浓度较高；然而，浓度迅速降至1 ppm以下。此阶段第一生物反应器循环液pH约7.5，第二生物反应器约8.6。
调节循环液流量以降低第一塔出口甲硫醇浓度。流量增加至20 L/h时，出口浓度降至0.1 ppm。流量18 L/h时出现液泛点。调节鼓入第一生物反应器的空气流量以增加液相中DO，维持液体流量10 L/h。DO为6.5 mg/L时，出口甲硫醇浓度无法检测。6天内第一塔出口氧浓度低于3 ppm。第一生物反应器循环液pH约8.3。第二塔用于处理第一生物反应器的废气。第二填充塔进口甲硫醇浓度约1 ppm；然而，出口甲硫醇浓度无法通过第2.4节所述方法检测。整个运行过程中第二塔循环液流量保持6 L/h。串联运行生物滴滤池在Rc为960 mmol/m³·h（1小时内供给甲硫醇总量除以塔体积）下运行。EBRT为10秒时，R超过99.5%。两塔出口均未检测到其他挥发性硫化合物（如二甲基硫）。
以火山岩填充、接种多粘类芽孢杆菌CZ05的串联运行生物滴滤池具有许多优点，包括启动快、适应迅速、EBRT低、去除容量高。多粘类芽孢杆菌CZ05为兼性厌氧菌；它能在好氧代谢中高效去除甲硫醇，但仅在4号培养基中。
图3. 串联运行生物滴滤池中甲硫醇的去除。 （a）使用1号培养基；（b）使用4号培养基。符号：氮气进口（■）和出口（●）甲硫醇浓度；EBRT（▲）。
3.4 甲硫醇降解机理
串联运行生物滴滤池在稳定运行35小时后，进口气体流量增加（浓度不增加）导致第一塔出口甲硫醇浓度明显增加。进口甲硫醇浓度在第一塔中轻微增加（气体流量不增加），但在第二塔中明显增加。这种现象可能是因为甲硫醇从气相转移到液相在第一塔中需要30秒；然而，由于存在某种能增加甲硫醇溶解度的特定物质，溶解平衡未达到。
尽管多粘类芽孢杆菌CZ05降解甲硫醇的机理尚不清楚，但推测产生的碱性物质可能与甲硫醇反应是可能的。
该反应增加了甲硫醇的溶解度；然而，该反应是可逆的。当液相中甲硫醇浓度较低时，反应可能向左逆转。空气也可以替代溶解到液相中的甲硫醇。
为进一步验证该反应，进行了傅里叶变换红外光谱分析。从第一生物反应器反应液中分离出一种物质；使用Tensor 27（Bruke，德国）获得其红外光谱。730–600 cm⁻¹区域对应C–S伸缩频率，光谱中峰值为640 cm⁻¹。
向第一生物反应器鼓泡空气时，甲硫醇降解速率增加。这一结果证明氧气对甲硫醇的降解很重要。甲硫醇代谢过程的第一步完全是好氧的。第一生物反应器中DO为6.5 mg/L时，甲硫醇被完全氧化。通过GC-MASS在第一生物反应器培养液中检测到甲醛和甲酸；然而，未检测到硫酸根离子。因此，甲硫醇的降解是产生硫的部分氧化过程。在相分离器的分离物中发现硫颗粒。
CZ05产生的碱性物质在一定程度上促进了甲硫醇向液相的转移；因此，降解速率较高。如果培养基中存在有机物（特别是葡萄糖），会产生更多该物质且pH会更高。这就是4号培养基中甲硫醇去除效率高于1号培养基的原因。
3.5 酶活测定
甲硫醇氧化酶活性在甲硫醇降解过程中非常重要。在本研究中，甲硫醇通过甲硫醇氧化酶的催化分解为甲醛和硫化氢。甲硫醇代谢过程的第一步完全是好氧的。通过测定培养混合物（以胞内酶或胞外酶提取液为接种物）顶空中甲硫醇的消失量来确定甲硫醇氧化酶活性。甲硫醇利用菌多粘类芽孢杆菌CZ05的胞内酶提取液表现出较高的甲硫醇氧化酶活性；然而，在胞外酶提取液中未检测到甲硫醇氧化酶活性。因此，甲硫醇氧化酶是一种胞内酶。
3.6 硫化氢对甲硫醇降解的影响
已研究过甲硫醇对硫化氢生物氧化的影响。然而，硫化氢对甲硫醇生物氧化的影响尚未被研究。当串联运行生物滴滤池在EBRT 30秒、甲硫醇60 ppm条件下稳定运行时，将硫化氢加入进口气流中。甲硫醇和硫化氢的降解过程均消耗氧气。甲硫醇和硫化氢竞争培养液中溶解的氧气。当DO达到约9.6 mg/L时，竞争趋势消失。一些研究者提高了硫化氢去除中的DO。本研究中硫化氢的添加不影响培养液中甲硫醇的溶解度，因为第二塔进口甲硫醇浓度没有变化。
4. 结论
成功分离鉴定了一株甲硫醇利用菌——多粘类芽孢杆菌CZ05。该菌在串联运行生物滴滤池中表现出良好的甲硫醇去除性能。当存在足够DO时，硫化氢的添加不影响甲硫醇的去除。多粘类芽孢杆菌CZ05的优势（兼性厌氧、产生碱性物质、在宽pH范围内生长）可将其应用扩展至其他酸性气体。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号：21106098）对本研究的资助。
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