H2S超标会严重危害水产动物健康。我国《渔业水质标准》规定硫化物浓度不超过0.2mg/L(ppm),某些特种动物养殖水体H2S浓度应严格控制在0.1mg/L以下,育苗水体应不高于0.05mg/L。然而,水产动物养殖过程中水体H2S含量往往会高于安全阈值范围。
在富H2S环境中生存的动物需要平衡环境高浓度H2S与体内低浓度H2S的矛盾,通过行为、代谢等策略将H2S维持在一个合适的浓度范围内,这需要消耗机体较多的能量。当水体H2S浓度过高,可致鱼虾蟹类呼吸困难,生长速度、体力和抗病力减弱,甚至引起急性中毒死亡。
养殖水体硫化氢的产生途径
H2S产生的基本条件:水源硫酸盐、大量的有机物残留、缺氧、低pH值。
1)有机质微生物降解。剩余饵料、粪便以及死亡的动植物残渣内富含蛋白质、油脂、碳水化合物等营养物质,为各类微生物(病原性弧菌属、气单胞菌属及放线菌等)、寄生虫、蓝藻类等水体生物提供大量繁殖的温床。当耗氧速率大于复氧速率、水动力不足时,厌氧微生物能够将含硫蛋白质(胱氨酸、半胱氨酸和甲硫氨酸)分解产生大量H2S、NH3等臭味气体;含氮化合物被转化生成氨、H2S、乙烯醇、二甲基硫醚(DMS)、三甲胺等,呈现腐败洋葱臭味、蛋臭味或鱼臭味等;碳水化合物则被转化成挥发性脂肪酸、醇类及CO2等,略带酸臭味。例如希瓦氏菌属(Shewanella)作为水产品低温贮藏条件下常见的腐败微生物,易黏附于养殖水体中残留有机质表面而形成生物被膜,其代谢过程产生H2S、氨以及胺类化合物等。
2)微生物介导的硫酸盐还原。海水、土壤岩层和高硫燃煤地区的雨水及地下泉水中含有大量的硫酸盐,并溶解进入水体后。在厌氧条件下,能够将硫酸盐(SO42)还原为H2S的一类特殊的厌氧菌群被统称为硫酸盐还原菌(Sulfate-ReducingBacteria,SRB),如脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、假单胞菌属(Pseudomonas)、脱硫单胞菌属(Desulfomonas)、脱硫叶菌属(Desulfobulbus)和脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)等。通常采用硫酸钡比浊法和铬酸钡分光光度法测定水中硫酸盐还原率推算H2S含量。
微生物驱动的有机硫循环研究进展
硫循环作为重要的生物地球化学过程常与碳循环、氮循环和金属循环耦合。微生物驱动的硫循环主要包括同化和异化硫酸盐还原、硫还原、硫氧化、硫歧化、二甲基巯基丙酸内盐(DMSP)产生、DMSP去甲基化和裂解及DMS转化。硫循环可通过硫酸盐还原耦合有机质矿化、甲烷氧化、厌氧氨氧化、铁还原和硫氧化耦合固碳、硝酸盐还原连接碳循环、氮循环和金属元素循环,多种微生物参与这些耦合过程(图1)。
图1碳氮硫循环耦合示意图(XiaoliYu,2023)
图2H2S甲基化形成DMS示意图(张玉忠等,2023)
在DMS的生产与降解过程中,浮游植物利用同化硫酸盐还原获得的硫,合成DMSP(DMS的主要前体物质)贮存在细胞内;由于藻类细胞衰老死亡,或由于浮游动物捕食细胞内DMSP被释放到海水中;然后,微生物利用细胞内DMSP裂解酶将水体中溶解态DMSP转化为DMS(图3)。
图3养殖水体硫化氢的产生与降解示意图
DMSP是地球上含量最丰富的有机硫化物之一,常以内盐形式存在于海洋浮游植物、海藻以及其它陆生及水生维管植物中,每年海洋中的藻类和细菌约能产生80亿吨DMSP。在DMS/DMSP循环中,α-变形菌纲和γ-变形菌纲发挥着重要作用。对微生物而言,DMSP是一种重要的渗透压调节剂,当DMSP被释放到环境中时,它可以作为微生物的一种重要的营养物质(碳源和硫源)以及信号分子。因此,DMSP具有很多重要的生理功能和生态功能。目前研究已发现多种能降解DMS的细菌种类,主要属于生丝微菌属(Hyphomicrobium)和硫杆菌属(Thiobacillus)等(Schaferetal.,2010)。