郭廣亮，劉偉，王欣，范超

（1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150090；2.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱150090）

污泥厭氧消化微生物研究進(jìn)展

郭廣亮1，2，劉偉1，2，王欣1，2，范超1

（1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150090；2.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱150090）

污泥的厭氧消化處理過(guò)程在回收能源物質(zhì)的同時(shí)，可殺滅病原微生物，并在一定程度上改善污泥脫水性能，真正意義上做到了污泥的合理化處理，備受業(yè)界推崇。從厭氧消化原理入手，回顧污泥厭氧消化微生物的發(fā)展歷史，著重研究產(chǎn)酸菌、產(chǎn)甲烷菌及產(chǎn)氫菌的特征、分類(lèi)及代謝途徑和能源轉(zhuǎn)換機(jī)理，為微生物的生長(zhǎng)繁殖和功能發(fā)揮提供良好的條件基礎(chǔ)，為從源頭提高污泥厭氧消化的效率提供指導(dǎo)意義，并對(duì)污泥微生物的能源與環(huán)境應(yīng)用提出期望與要求。

污泥；厭氧消化；微生物

截至2015年年底，全國(guó)城鎮(zhèn)累計(jì)建成污水處理廠3 800余座，污水處理能力已達(dá)到1.62億m3/d，其中超過(guò)90%的污水廠選擇活性污泥法作為其核心工藝，污泥產(chǎn)量（以含水率80%計(jì)）已突破3 000萬(wàn)t/a［1］。污泥的厭氧消化處理過(guò)程在回收能源物質(zhì)的同時(shí)，可殺滅病原微生物，并在一定程度上改善污泥脫水性能，真正意義上做到了污泥的穩(wěn)定化、資源化和減量化處理處置，備受業(yè)界推崇［2］。為提高污泥厭氧消化的效率，從厭氧消化原理入手，研究各個(gè)階段優(yōu)勢(shì)微生物菌群種類(lèi)和作用機(jī)理，為微生物的生長(zhǎng)繁殖和功能發(fā)揮提供良好的條件基礎(chǔ)，保證和促進(jìn)厭氧消化過(guò)程的穩(wěn)定和高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥處理過(guò)程的精密控制，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際具有重要指導(dǎo)意義。

探求污泥厭氧消化微生物的發(fā)展歷史，最早追溯到1776年Alessandro發(fā)現(xiàn)湖底的沉積物可以產(chǎn)生一種氣體，并證實(shí)這種氣體主要成分為甲烷；經(jīng)過(guò)近百年的研究探索，終于在1868年，Bechamp經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，微生物的作用是甲烷產(chǎn)生的主要原因；Tappeiner在1882年利用反芻動(dòng)物消化物為實(shí)驗(yàn)材料證實(shí)了Bechamp的結(jié)論。1936年，轟動(dòng)一時(shí)的研究成果由Barker團(tuán)隊(duì)所提出，至此產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌成為厭氧消化微生物的兩個(gè)分支。在此后的30年間，研究進(jìn)入瓶頸階段，直到1967年，Bryant對(duì)Hungate建立的高效的厭氧消化技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，分離了產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷MOH和分解乙醇產(chǎn)生氫和乙酸的S菌株。1978年研究取得突破性進(jìn)展，Mall和Smith等利用放射性同位素示蹤法證實(shí)70%的甲烷來(lái)自乙酸分解。1988年，Zinder提出了至今仍被認(rèn)可與應(yīng)用廣泛的五菌群模型，前三類(lèi)細(xì)菌稱(chēng)為酸化細(xì)菌，后兩類(lèi)稱(chēng)為產(chǎn)甲烷菌，酸化細(xì)菌代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸、氫和二氧化碳在產(chǎn)甲烷菌的作用下轉(zhuǎn)化成甲烷。發(fā)展到今日，對(duì)污泥厭氧消化影響最為關(guān)鍵的三種微生物分別是產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)氫菌，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)論述。

1　產(chǎn)乙酸微生物研究進(jìn)展

污泥厭氧消化系統(tǒng)中的復(fù)雜有機(jī)物經(jīng)過(guò)酸化細(xì)菌的發(fā)酵作用，最終產(chǎn)生氫、二氧化碳和乙酸，為產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和同型產(chǎn)乙酸菌是酸化細(xì)菌具有重要代表性［3］。

1.1產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌

產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌（H2-producing acetogens，HPA）主要作用對(duì)象為丙酸、丁酸等兩碳以上的有機(jī)酸和醇，最終將其轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣和二氧化碳，并產(chǎn)生新細(xì)胞。標(biāo)準(zhǔn)條件下，HPA降解短鏈脂肪酸的反應(yīng)吉布斯自由能大于零，不可自發(fā)進(jìn)行，無(wú)電子受體（等）存在時(shí)，產(chǎn)甲烷菌與HPA協(xié)同作用，對(duì)H2分壓的消耗可以促進(jìn)反應(yīng)正向進(jìn)行［4-6］。

可被HPA作為碳源和能源的底物利用范圍十分有限，且專(zhuān)屬性突出。HPA主要包括專(zhuān)性互營(yíng)細(xì)菌和兼性互營(yíng)細(xì)菌兩種類(lèi)型，前者主要依賴(lài)將H2或甲酸鹽作為唯一電子受體的消耗菌活性（如Syntrophobacterwolinii與Syntrophomonas wolfei等）；而后者既可以通過(guò)自身單獨(dú)降解某些有機(jī)大分子獲得所需的能量，也可與一些協(xié)同菌進(jìn)行互營(yíng)代謝（如Ruminococcus albus與耗H2菌Wolinella succinogenes）［5，7，8］。

1.2同型產(chǎn)乙酸菌

同型產(chǎn)乙酸菌(Homoacetogen,HOMA)利用CO2作為末端電子受體與H2作用形成乙酸。HOMA分布廣泛，幾乎存在于所有厭氧環(huán)境中，化能自養(yǎng)能力突出，且可利用底物、能量和電子受體類(lèi)型多樣。HOMA產(chǎn)乙酸能力強(qiáng)，理論上可降解1分子葡萄糖生成3分子乙酸［4］。HOMA是一類(lèi)具有相同代謝功能的微生物類(lèi)群的統(tǒng)稱(chēng)，這類(lèi)微生物的共同特點(diǎn)是固定CO2作為細(xì)胞的碳源，在乙酰輔酶A途徑末端接受電子，并與能量的貯存相耦聯(lián)，最終能將CO2還原為乙酰輔酶A［9］。其中具有代表性的有乙酸梭菌（Clostridium aceticum）和熱醋穆?tīng)柺暇∕oorella thermoacetica）［10］。

2　產(chǎn)甲烷菌研究進(jìn)展

產(chǎn)甲烷菌屬于古細(xì)菌的水生古細(xì)菌門(mén)(Euryarchaeota)，在絕對(duì)厭氧的生境中存在廣泛，是污泥厭氧消化微生物中關(guān)鍵的菌群構(gòu)成。

2.1產(chǎn)甲烷菌典型微生物菌屬

甲烷菌主要包括甲烷球菌、甲烷微菌、甲烷桿菌、甲烷火菌和甲烷八疊球菌5類(lèi)［11］。根據(jù)產(chǎn)甲烷菌利用基質(zhì)的種類(lèi)又將其分為乙酸型產(chǎn)甲烷菌和氫型產(chǎn)甲烷菌兩大類(lèi)，但實(shí)際上，此種劃分并不十分嚴(yán)格，有的甲烷菌既可以利用乙酸，也可以利用氫來(lái)產(chǎn)甲烷，如巴氏甲烷八疊球菌［12］。產(chǎn)甲烷菌的具有區(qū)別于其他菌屬的共同特性：第一，嚴(yán)格厭氧，與氧接觸可以抑制其活性和繁殖，甚至殺死菌體［13］。第二，可利用底物少，生長(zhǎng)緩慢，只可以直接分解利用相對(duì)簡(jiǎn)單的物質(zhì)（如二氧化碳、氫、甲酸、乙酸等）［14］。第三，代謝終產(chǎn)物都為甲烷、二氧化碳和水。第四，產(chǎn)甲烷菌體中有區(qū)別于其他微生物及動(dòng)植物的7種輔酶因子。第五，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)獨(dú)特，沒(méi)有D-氨基酸和胞壁酸［15，16］。

2.2產(chǎn)甲烷菌的代謝機(jī)理

甲烷的合成原料可分成三類(lèi)，乙酸，氫、二氧化碳和甲基化合物，從生物學(xué)角度研究出發(fā)，能量源泉ATP是細(xì)胞膜內(nèi)外化學(xué)梯度的作用結(jié)果，自養(yǎng)型的產(chǎn)甲烷菌利用ATP進(jìn)行基本的糖酵解途徑（EMP）、三羧酸循環(huán)（TCA）、氨基酸和核苷酸代謝過(guò)程，過(guò)程中的通道蛋白和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白為其正常的生長(zhǎng)繁殖和物質(zhì)運(yùn)輸提供了能量來(lái)源與營(yíng)養(yǎng)保障［17，18］。

3　產(chǎn)氫菌研究進(jìn)展

污泥厭氧消化的水解酸化階段是整個(gè)厭氧過(guò)程的開(kāi)始，也是污泥融胞、釋放有機(jī)質(zhì)為后續(xù)消化提供底物的階段，氫氣作為一種中間產(chǎn)物，如果可以抑制甲烷菌和硫化菌等耗氫菌的消耗代謝，將作為一種穩(wěn)定的清潔能源被獲取，而這一過(guò)程需要明確產(chǎn)氫微生物的作用機(jī)理。

3.1厭氧消化產(chǎn)氫細(xì)菌種類(lèi)

厭氧消化過(guò)程中，產(chǎn)氫菌主要分為嚴(yán)格厭氧產(chǎn)氫細(xì)菌、兼性厭氧產(chǎn)氫細(xì)菌和混合厭氧產(chǎn)氫菌群三類(lèi)［19］。嚴(yán)格厭氧產(chǎn)氫細(xì)菌主要是梭狀芽抱桿菌屬（Clostridium）的各種細(xì)菌。Chadiwich和Irgens等［20］研究了不同的包埋劑（聚丙烯酞胺凝膠，瓊脂凝膠）和不同的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)（葡萄糖，酒精廢水）對(duì)丁酸梭菌（Clostridium butyricurn）厭氧產(chǎn)氫的影響，結(jié)果表明，前者產(chǎn)氫能力為1.8～3.2L/Ld，產(chǎn)氫時(shí)間為20d；后者產(chǎn)氫38.64mL/gd,產(chǎn)氫時(shí)間為180d。Brosseau等［21］利用葡萄糖為底物對(duì)巴氏芽抱梭菌（Clostridium Pasteasrianum）產(chǎn)氫效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明，產(chǎn)率為1∶1.5，純度大于85%，即每利用1mol葡萄糖可以產(chǎn)生1.5mol氫氣，并在葡萄糖濃度為7.6g/m3時(shí)獲得最大產(chǎn)氫速率（9.0mmolH2/h）和比產(chǎn)氫速率（2.5 mmo1H2/hg干細(xì)胞）。

兼性厭氧產(chǎn)氫細(xì)菌主要是腸桿菌屬（Enterobacter）的某些細(xì)菌。Tanisho等［22］研究了酸度（pH）對(duì)腸桿菌菌株的比產(chǎn)氫速率的影響效果，結(jié)果表明，比產(chǎn)氫速率與pH值在一定范圍內(nèi)（5.5～8.0）呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，最大的比產(chǎn)氫速率在pH值為6.0時(shí)獲得，達(dá)到16mmolH2/h（g干細(xì)胞）。Kumar N和Das D等［23，24］研究了不同基質(zhì)與比產(chǎn)氫率間的關(guān)系，結(jié)果表明，以葡萄糖、纖維二糖和蔗糖為基質(zhì)的比產(chǎn)氫率分別為2.2、5.4和6.0 mo1 H2/mol基質(zhì)。

混合厭氧產(chǎn)氫菌群是由多種厭氧產(chǎn)氫細(xì)菌共生產(chǎn)氫。Roychowdhury等［25］研究大腸埃希氏菌（E coli）和檸檬酸細(xì)菌屬（Citrobacter spp.）對(duì)不同基質(zhì)的產(chǎn)氣組成影響，發(fā)現(xiàn)混合厭氧產(chǎn)氫菌群作用后的產(chǎn)氣組成中僅有CO2和H2，分別為13%和87%。哈爾濱工業(yè)大學(xué)任南琪和王寶貞［26］等利用厭氧活性污泥與糖類(lèi)和淀粉聯(lián)合發(fā)酵制取氫氣，產(chǎn)氣效果突出。

3.2產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫機(jī)理

一些微生物可以通過(guò)厭氧發(fā)酵降解有機(jī)廢棄物中的有機(jī)物，從而釋放氫氣，這些微生物中有些是嚴(yán)格厭氧，有些則是兼性厭氧，它們可以分解脂肪酸、淀粉、纖維素、葡萄糖、蛋白質(zhì)以及氨基酸等多種有機(jī)物［27］。這些細(xì)菌主要通過(guò)四種不同的形式將有機(jī)物分解釋放氫氣：第一種形式是通過(guò)丙酮酸脫梭作用產(chǎn)氫，屬于EMP途徑，在這一過(guò)程中丙酮酸脫梭脫氫生成乙酞，脫下的氫再經(jīng)鐵氧還蛋白的傳遞作用最終釋放出分子氫。第二種是通過(guò)NADH/NAD+氧化還原平衡調(diào)節(jié)產(chǎn)氫。第三種形式是產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)氫作用。第四種形式是NADPH作用產(chǎn)氫［27，28-32］。在厭氧的環(huán)境下，產(chǎn)氫細(xì)菌需要保持NADH或NADPH的平衡，如果這種平衡遭到破壞，將無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行生化反應(yīng)，細(xì)菌自身將停止生物代謝過(guò)程，因此，保證NADH或NADPH循環(huán)再生是控制生物有機(jī)體代謝過(guò)程的一個(gè)重要因素。

4　展望

目前，我國(guó)正面臨能源與環(huán)境兩大問(wèn)題，早在“十一五”規(guī)劃中我國(guó)就將資源環(huán)境領(lǐng)域作為重大專(zhuān)項(xiàng)發(fā)展項(xiàng)目，以畜牧業(yè)和自然界中的廢棄物牛糞以及污泥為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生以甲烷為主的沼氣以及其他形式能源，在環(huán)境保護(hù)和能源產(chǎn)生方面都起到了重要作用。在“十三五”發(fā)展規(guī)劃中，習(xí)近平總書(shū)記更是強(qiáng)調(diào)了發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)要重點(diǎn)發(fā)展“科技含量高、資源消耗低、環(huán)境污染少的生產(chǎn)方式”，污泥的厭氧消化處理方式在節(jié)約能源以及減少污染方面表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。本文綜述了污泥厭氧消化中產(chǎn)酸菌、產(chǎn)甲烷菌以及產(chǎn)氫菌的特征、分類(lèi)及代謝途徑和能源轉(zhuǎn)換機(jī)理，為實(shí)踐發(fā)酵產(chǎn)能過(guò)程的條件選擇提供理論指導(dǎo)，最終期望通過(guò)理論探討與試驗(yàn)考察結(jié)合，確定最佳厭氧發(fā)酵產(chǎn)能方案，為提高能源利用效率、降低污染排放奠定基礎(chǔ)。

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Advances in anaerobic digestion microorganisms of sludge

GUO Guang-liang1，2,LIU Wei1，2,WANG Xin1，2,FAN Chao1
(1.Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province,Harbin 150090,China; 2.Science and Technology Incubator Center,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150090,China)

The anaerobic digestion process of sewage sludge can kill pathogenic microorganisms and improve the dewatering performance of sludge in a certain extent while recovering the energy substances.So the rational treatment of sludge is achieved,which is highly praised by the industry.Based on the principle of anaerobic digestion,the development history of sludge anaerobic digestion microbiology was reviewed.The characteristics,classification,metabolic pathway and energy conversion mechanism of acidogenic bacteria,methanogenic bacteria and hydrogen-producing bacteria were studied.It has provided a good basis for the microbial growth and function display,provided a reference for improving the efficiency of sludge anaerobic digestion from the source,and provided expectations and requirements for applications of microbial energyand environment.

Sludge;Anaerobic digestion;Microorganism

X703

A

1674-8646（2016）19-0001-04

2016-09-01

郭廣亮（1985-），男，工學(xué)碩士，研究實(shí)習(xí)員。