孫文靜，孔 溢，陳學(xué)萍，劉孝陽(yáng)

1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620；2. 上海城建城市運(yùn)營(yíng)（集團(tuán)）有限公司，上海 200023；3. 上海大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海 200444；4. 上海大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海 200444；5. 應(yīng)急管理部上海消防研究所，上海 200032

在城市固體廢物處理技術(shù)方面，目前采用的方法主要有：填埋、焚燒、混合堆肥等。由于填埋能夠處理幾乎所有的城市固體廢物，且所需費(fèi)用較少，至今在許多國(guó)家仍是最普遍使用的處理方法。

垃圾填埋場(chǎng)服役期間會(huì)釋放出大量垃圾填埋氣，垃圾填埋氣是由生活垃圾中有機(jī)物的厭氧降解產(chǎn)生的，主要由二氧化碳、甲烷和一些揮發(fā)性有機(jī)化合物組成。其中，甲烷是全球重要的溫室氣體之一，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)約為26%（鄭思偉等，2013），且甲烷的全球變暖潛力是二氧化碳的28倍（Pachauri and Reisinger，2014）。垃圾填埋場(chǎng)每年釋放的甲烷量約占全球甲烷總釋放量的6%~12%（魏素珍，2012）。另外，甲烷還具有易燃、易爆的特點(diǎn)，當(dāng)空氣或土體中甲烷濃度達(dá)到一定限值時(shí)，很可能發(fā)生垃圾填埋場(chǎng)的爆炸、坍塌等事故（付貴，2016）。

當(dāng)前，大量中小型填埋場(chǎng)及老舊填埋場(chǎng)釋放的甲烷都未經(jīng)收集直接排放到大氣中。即使在設(shè)置有完備氣體收集裝置的填埋場(chǎng)，仍有5%~40%的甲烷逃逸到大氣中；且當(dāng)甲烷排放量較小時(shí)，啟用集氣系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用高（Pachauri and Reisinger，2014）。這種低強(qiáng)度甲烷無(wú)組織排放持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，環(huán)境污染嚴(yán)重，因此，基于環(huán)保與安全因素的考慮，亟需尋求一種經(jīng)濟(jì)、持續(xù)、高效的填埋場(chǎng)覆層甲烷削減技術(shù)，有效減排填埋場(chǎng)逸出的甲烷。

甲烷氧化菌是烴氧化菌群中的一種，是以甲烷作為唯一碳源和能源的甲基營(yíng)養(yǎng)型微生物，在填埋場(chǎng)覆層中很容易富集。甲烷氧化菌氧化甲烷，一部分碳被同化為甲烷氧化菌細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)，另一部分被氧化為低溫室效應(yīng)潛勢(shì)的CO2，在固碳、減排方面均起到十分重要的作用（何品晶等，2006；楊益彪等，2015）。劉秉岳等（2015）研究了粉土以及兩種不同生物炭改性土的甲烷氧化能力，認(rèn)為土體里有甲烷氧化菌菌群可降解甲烷。劉孝陽(yáng)（2020）從上海老港垃圾填埋場(chǎng)覆蓋層獲取土樣，采用馴化、分離、純化等方法獲得一株甲烷氧化菌，該菌種為Ⅰ型甲基桿狀菌屬（Methylohacoter），具有較快的生長(zhǎng)速度和較高的甲烷氧化效能。將甲烷氧化菌摻入到生物炭—黏土混合土中，研究了甲烷氧化菌在散土和壓實(shí)土中的甲烷去除效能。結(jié)果表明，摻入甲烷氧化菌可顯著提高甲烷去除率。Boeckx等（1996）指出對(duì)于一些中小型的垃圾填埋場(chǎng)及一些服役年限較久的垃圾填埋場(chǎng)，在上覆蓋層土體中摻入甲烷氧化菌來(lái)氧化甲烷，可有效降低溫室氣體排放，與啟用氣體收集系統(tǒng)相比，更加經(jīng)濟(jì)且高效。由此可見(jiàn)，在垃圾填埋場(chǎng)上覆層中摻入甲烷氧化菌對(duì)甲烷進(jìn)行生物氧化以降低甲烷無(wú)組織排放的方法具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

甲烷氧化菌及其氧化作用機(jī)理的研究，已成為環(huán)境微生物學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。本文總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外環(huán)境科學(xué)、土壤科學(xué)、環(huán)境巖土工程等領(lǐng)域關(guān)于甲烷氧化菌氧化甲烷的研究成果，首先概述了甲烷氧化菌的分類(lèi)及其氧化甲烷的機(jī)理；隨后，闡述了培養(yǎng)基環(huán)境下及土體中甲烷氧化菌氧化效能隨各影響因素的變化規(guī)律，如溫度、濕度、pH 值，以及覆蓋層的厚度、土體類(lèi)型、孔隙度、覆層植被等；最后，對(duì)生物炭—甲烷氧化菌改性覆層土削減甲烷排放技術(shù)進(jìn)行了展望，以期為今后的相關(guān)研究工作，如溫室氣體減排、覆土改良施工工藝、摻菌土體工程特性及耐久性等提供參考。

1 甲烷氧化菌的分類(lèi)及其甲烷氧化機(jī)理

1.1 甲烷氧化菌的種類(lèi)及其特征

根據(jù)甲烷氧化菌是否利用環(huán)境中的氧氣作為電子受體，可將甲烷氧化菌分為好氧甲烷氧化菌和厭氧甲烷氧化菌（蔡朝陽(yáng)等，2016）。

好氧甲烷氧化菌是一類(lèi)獨(dú)特的甲基營(yíng)養(yǎng)菌群，大多可在20~45℃、中性pH值條件下培養(yǎng)。它們廣泛存在于河流、湖泊、泥炭地、稻田、海洋、濕地、泥沼等有氧環(huán)境中（Richard and Thomas，1996）。好氧甲烷氧化菌在一些極端的自然環(huán)境或人工環(huán)境中也存在，如Dunfield等（2007）在pH 值為2.0~2.5的極端酸性環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了屬于疣微菌門(mén)的極端嗜酸的甲烷氧化菌。

好氧型甲烷氧化菌根據(jù)在其內(nèi)部的膜結(jié)構(gòu)和代謝途徑的類(lèi)型可分為I型、II型和X型（王曉琳等，2016），其中I型和X型甲烷氧化菌是在細(xì)胞內(nèi)膜上利用核酮糖單磷酸鹽途徑進(jìn)行甲醛同化，II型甲烷氧化菌是在細(xì)胞內(nèi)膜及周質(zhì)空間（外膜與細(xì)胞壁之間的狹窄空間）利用絲氨酸循環(huán)進(jìn)行甲醛同化。

厭氧的甲烷氧化菌廣泛存在于海底沉積物、河底沉積物、地下水和濱海濕地等一些厭氧的環(huán)境中，目前對(duì)厭氧甲烷氧化菌的研究進(jìn)展比較緩慢，主要是由于厭氧甲烷氧化菌生長(zhǎng)速度緩慢、在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)其培養(yǎng)較困難、細(xì)胞倍增時(shí)間較長(zhǎng)這三方面原因（Knittel and Boetius，2009）。

1.2 甲烷氧化菌的氧化機(jī)理

Richard 和Thomas（1996）分析了甲烷氧化菌生物氧化甲烷的機(jī)理。甲烷氧化菌氧化甲烷的方式雖然有所不同，但都能夠?qū)H4經(jīng)一系列酶促反應(yīng)氧化成CO2和水，并生成一系列的中間代謝產(chǎn)物，如甲醇、甲醛、甲酸等，其主要反應(yīng)過(guò)程為：

CH4→CH3OH→HCHO→HCOOH→CO2。

甲烷氧化菌氧化甲烷機(jī)理如圖1所示。第一步甲烷氧化菌將甲烷氧化為甲醇，該步驟需要在甲烷單加氧酶（methane monooxygenase，MMO）的催化下才能完成。到目前為止，一共發(fā)現(xiàn)了兩種 MMO：一種是可溶性甲烷單加氧酶（sMMO），主要分布于細(xì)胞質(zhì)中；另一種是結(jié)合在細(xì)胞膜上的顆粒狀甲烷單加氧酶（pMMO）。pMMO除了不存在于П型Methylocellas屬的甲烷氧化菌外，存在于目前已知的絕大多數(shù)好氧甲烷氧化菌中。

圖1 甲烷氧化菌生物氧化甲烷的機(jī)理Fig. 1 Mechanism of methane oxidation by methane-oxidizing bacteria

sMMO有三種組分，分別為羥化酶、調(diào)控蛋白B和還原酶C，其中羥化酶在II型甲烷氧化菌細(xì)胞中存在。pMMO為膜結(jié)合蛋白，分離純化困難。

2 培養(yǎng)基環(huán)境下甲烷氧化菌氧化甲烷效能的影響因素

2.1 氮源種類(lèi)和濃度

氮源對(duì)甲烷氧化菌的生長(zhǎng)繁殖必不可少，在土壤里面一般以銨根離子的形式存在，不同濃度的銨根離子對(duì)甲烷氧化菌氧化甲烷效能的影響也不同。

王智平等（2003）認(rèn)為氮源對(duì)甲烷氧化菌甲烷氧化作用的影響取決于輸入氮的種類(lèi)和劑量等因素。Alex和Oswald（2003）研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)甲烷濃度不同時(shí)，NH+4對(duì)甲烷氧化菌生物氧化甲烷起到的作用也不同，低甲烷濃度時(shí)，NH+4可起到40%的抑制作用；高甲烷濃度時(shí)，NH+4則起到促進(jìn)作用。魏文平等（2015）采用總期望函數(shù)法，綜合反映了氮源種類(lèi)和濃度對(duì)于M16甲烷氧化菌（Ⅱ型甲基包囊菌屬M(fèi)ethylocystis）的甲烷氧化效能和菌體生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)不同氮源條件下甲烷的去除率不同，且隨著氮源的濃度增加均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，過(guò)低或過(guò)高的氮源濃度對(duì)甲烷氧化菌的生長(zhǎng)起到了抑制作用，由此確定了選擇1.0 g/L的NH4NO3作為M16甲烷氧化菌MS培養(yǎng)基中的氮源物質(zhì)最為合適。

2.2 溫度

溫度對(duì)甲烷氧化菌氧化甲烷效能的影響主要是通過(guò)影響甲烷氧化菌體內(nèi)單加氧酶的活性來(lái)體現(xiàn)。許冰等（2010）指出溫度對(duì)酶活性有顯著影響，過(guò)高或過(guò)低的溫度會(huì)使酶的催化作用減弱或停止，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度升高反應(yīng)速度加快，當(dāng)上升至某一溫度時(shí)，酶促反應(yīng)速度達(dá)最大值，此溫度稱(chēng)為酶的最適溫度。各種酶在其最適溫度范圍內(nèi)，活性最強(qiáng)，酶的催化作用反應(yīng)速度最大。但如果超過(guò)最適溫度繼續(xù)升溫，反應(yīng)速度反而下降。魏文平等（2015）在培養(yǎng)基條件下測(cè)試了不同溫度時(shí)M16甲烷氧化菌的甲烷氧化率，試驗(yàn)結(jié)果表明，從20℃開(kāi)始，隨著溫度的升高，甲烷去除率顯著增加，在30℃時(shí)達(dá)到最大值，溫度達(dá)到40℃，甲烷氧化率迅速降低。顧華兵等（2019）將MO-01甲烷氧化菌（I型甲基桿狀菌屬M(fèi)ethylobacter）接種到無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)菌液濃度在37℃時(shí)最高，在37~40℃溫度范圍內(nèi)，甲烷氧化菌的生長(zhǎng)量都比較高，隨后隨著溫度升高而下降。劉曉寧等（2010）對(duì)從若爾蓋高原采集到的名為XN1甲烷氧化菌（I型甲基甲胞菌屬M(fèi)ethylomonas）進(jìn)行了溫度試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)菌株XN1在15~35℃范圍內(nèi)生長(zhǎng)良好，這與魏文平等（2015）所述的最佳溫度有所不同，這可能和菌株的原始生長(zhǎng)環(huán)境與菌株種類(lèi)有關(guān)。

2.3 pH值

甲烷氧化菌氧化甲烷的效能受pH值變化的影響與其受溫度變化的影響規(guī)律近似，過(guò)高或過(guò)低的pH值均會(huì)降低單加氧酶的活性，甚至使單加氧酶失去活性，影響甲烷氧化效能。比如，在強(qiáng)酸環(huán)境下影響甲烷氧化菌氧化甲烷效能的主要原因是酶分子結(jié)構(gòu)中的基團(tuán)發(fā)生電離，改變酶分子的構(gòu)象，導(dǎo)致酶失活（韓桂琪等，2010）。劉曉寧等（2010）得到了XN1甲烷氧化菌可以在pH6.0~9.0范圍內(nèi)生長(zhǎng)，最適宜生長(zhǎng)的pH值為6.5，屬于喜酸性菌。魏文平等（2015）研究表明M16甲烷氧化菌甲烷氧化效能在pH7.0~8.0時(shí)更好。劉孝陽(yáng)（2020）測(cè)試了甲烷氧化菌在不同pH值條件下，培養(yǎng)基環(huán)境中甲烷氣體濃度的變化，發(fā)現(xiàn)pH值在7.0附近甲烷降低量最大，即甲烷氧化效能最大。

以上對(duì)不同甲烷氧化菌的甲烷氧化效能隨pH變化規(guī)律的研究都是在培養(yǎng)基環(huán)境下，在填埋場(chǎng)覆蓋層中甲烷氧化菌生存環(huán)境的pH值還與填埋覆層的材料有關(guān)。

2.4 甲烷濃度、氧氣濃度

甲烷與氧氣是好氧甲烷氧化菌氧化甲烷反應(yīng)中所必須的原料。Czepiel等（1996）研究發(fā)現(xiàn)氧氣濃度對(duì)甲烷氧化速率有顯著影響，當(dāng)氧氣混合比低于3%時(shí)，甲烷氧化速率基本為零。Ma?gorzata和Witold（2005）研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)空間內(nèi)甲烷濃度從2%增加到16%，甲烷氧化活性增加了1.1~2.5倍。劉曉寧等（2010）發(fā)現(xiàn)，隨著甲烷氣體含量的增加，菌體生物量（OD560）呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，當(dāng)甲烷氣體含量約為40%時(shí)，菌含量最高。陳亮（2011）研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)體系中甲烷氣體初始體積的增加可以提高甲烷氧化菌甲烷代謝活性，但是由于體系中氧氣含量是有限的，隨著氧氣逐漸消耗，甲烷氧化菌氧化甲烷的效能逐漸降低。Li等（2014）研究表明，氧氣與甲烷濃度比O2/CH4影響甲烷氧化菌的多樣性，從而影響氧化甲烷的效能。當(dāng)O2/CH4在5~10的范圍時(shí)，土體中存在多樣性甲烷氧化菌，并且進(jìn)行的反應(yīng)被認(rèn)為是好氧氧化；當(dāng)O2/CH4為3~1.7時(shí)，轉(zhuǎn)化為兼性厭氧氧化，即可以進(jìn)行有氧反應(yīng)又可以進(jìn)行無(wú)氧氧化；當(dāng)O2/CH4小于1.7 h，轉(zhuǎn)化為厭氧氧化，不利于甲烷的氧化。所以在合適的O2與CH4濃度比下，甲烷氧化菌的氧化效能提高，進(jìn)而，對(duì)CH4的減排潛力增大。

3 土體中甲烷氧化菌氧化甲烷效能的影響因素

甲烷氧化菌通過(guò)好氧作用氧化甲烷，并獲取生物質(zhì)和能量。該生物氧化反應(yīng)包含三個(gè)因素：甲烷、氧氣和甲烷氧化菌。覆層內(nèi)甲烷和氧氣濃度分布與下層填埋氣和外界氧氣擴(kuò)散有關(guān)，直接影響甲烷氧化效率，隨著封場(chǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，甲烷濃度降低，甲烷氧化菌的繁殖與氧化活性下降（王丹，2012）。甲烷氧化菌氧化效能與土體微氣候（如含水率、溫度）、土體結(jié)構(gòu)和礦物組成(如顆粒、形狀）、物理—化學(xué)特性（如土體孔隙率、pH值、陽(yáng)離子交換量、鹽分含量、養(yǎng)分供給、有機(jī)質(zhì)特性及含量）、氣體流動(dòng)性和覆蓋厚度、植被等因素有關(guān)（Huber-Humer et al.，2011；王靜，2011；Gul et al.，2015）。

這里主要介紹土體含鹽量、氣體流動(dòng)性、覆層厚度和植被等對(duì)甲烷氧化菌甲烷氧化效能的影響。

3.1 土體含鹽量

Whalen（2000）指出土體鹽含量的增加會(huì)抑制甲烷氧化菌對(duì)甲烷的氧化效能。Serrano-Silva等（2014）研究表明，土體中鹽分含量的增加根本上是降低了土體中甲烷氧化菌的活性，從而間接地降低了CH4的吸收速率。楊銘德等（2015）通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，采用實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)檢測(cè)方法（real-time fluorescent quantitative PCR）快速檢測(cè)甲烷氧化菌，探究了不同含鹽量的土體中甲烷氧化菌的活性，研究發(fā)現(xiàn)甲烷氧化菌氧化甲烷的速率隨土體含鹽量的增高而減小，并且含鹽量越高，甲烷氧化菌活性越低，甲烷氧化速率越低。

3.2 土體中氣體的流動(dòng)性

土體中甲烷氧化菌對(duì)甲烷的氧化效能受土體中氣體流動(dòng)性的影響。流動(dòng)性大，甲烷氣體快速通過(guò)土體，未能停留足夠時(shí)間，以供給土體中的甲烷氧化菌足夠食物，從而使得甲烷生物氧化速率降低。甲烷生物氧化過(guò)程需要氧氣的參與，充足的空氣是保證甲烷氧化菌活性的重要因素。但當(dāng)空氣流動(dòng)性過(guò)小，造成土體中氧氣含量較少，進(jìn)而降低了甲烷氧化菌氧化甲烷的效能。因此，良好的空氣流動(dòng)性是保證生物氧化甲烷效能的前提之一。

土體的孔隙率、壓實(shí)度、含水率等的變化會(huì)改變氣體在土體中的流動(dòng)性（Sun et al.，2018）。Gebert等（2011）通過(guò)土柱擴(kuò)散試驗(yàn)，研究了充氣孔隙率和壓實(shí)度對(duì)甲烷擴(kuò)散率和生物氧化效率的影響，建議用作生物覆層的土體應(yīng)保持至少14%的充氣孔隙率。土體中礦物組成不同也會(huì)引起孔隙率的差異。丁維新和蔡祖聰（2003）研究發(fā)現(xiàn)，土體中的甲烷氧化效能與土體性質(zhì)有關(guān)，粉質(zhì)黏土的孔隙率較黏土的孔隙率大，且氣體的流動(dòng)性在粉質(zhì)黏土中相對(duì)較好，因此甲烷氧化菌在粉質(zhì)黏土中氧化甲烷的效能比在黏土中強(qiáng)。垃圾填埋場(chǎng)上覆土體的顆粒級(jí)配及壓實(shí)性也是影響土的氣體流動(dòng)性的重要因素。在顆粒級(jí)配良好的土體及壓實(shí)性較好的土體中，因土體孔隙率較小，導(dǎo)致氣體流動(dòng)性較差，進(jìn)而導(dǎo)致在顆粒級(jí)配良好及壓實(shí)性較好的土體中甲烷氧化率較低。劉孝陽(yáng)（2020）通過(guò)對(duì)比甲烷氧化菌在生物炭—黏土混合散土（e=2.54~3.12）和壓實(shí)土（e=0.69~1.23）中氧化甲烷的效能，發(fā)現(xiàn)甲烷在散土中的去除效果要比壓實(shí)土中更加明顯，主要是因?yàn)楦擅芏容^小的生物炭—黏土混合土的孔隙更大，空氣流動(dòng)性大，有助于促進(jìn)甲烷氧化菌的生長(zhǎng)和酶的活性，進(jìn)而提高了菌的甲烷氧化效能。

除了壓實(shí)度，含水率也會(huì)影響氣體在土體中的流動(dòng)性。含水率除了通過(guò)改變氣體的運(yùn)移影響甲烷氧化之外，還通過(guò)改變微生物的活性影響甲烷氧化菌的氧化效能。填埋場(chǎng)覆蓋層含水率在15%~25%時(shí)，可滿(mǎn)足甲烷氧化菌活性和覆蓋層的氣體擴(kuò)散要求，此時(shí)，土體保持著水氣雙開(kāi)敞狀態(tài)，如圖2b所示，能夠保證氧氣和甲烷在土體中有足夠的滯留時(shí)間，使甲烷氧化菌與水、氧氣、甲烷可以充分接觸，達(dá)到最大甲烷氧化速率，此時(shí)的含水率為最優(yōu)含水率。以最優(yōu)含水率為中心，甲烷氧化速率向兩側(cè)逐漸降低（Moyano et al.，2013）。如圖2a土體處于干燥狀態(tài)及圖2c土體接近飽和狀態(tài)。劉秉岳等（2015）表示，含水率太低，土體過(guò)于干燥會(huì)導(dǎo)致甲烷氧化菌的活性降低；含水率太高，接近飽和狀態(tài)時(shí)，過(guò)多的水份會(huì)阻塞土體孔隙，甲烷和氧氣難以傳輸?shù)酵翗又校沟眉淄檠趸茨塬@得充足的甲烷和氧氣而活性降低，因此過(guò)高的含水率反而會(huì)使得甲烷氧化能力下降。

圖2 土體中氣液流動(dòng)狀態(tài)Fig. 2 State of gas-liquid flow in soil

3.3 上覆土層厚度

垃圾填埋場(chǎng)的上覆土層厚度也是影響甲烷氧化菌氧化效能的重要影響因素之一。

何品晶等（2006）研究了杭州天子嶺填埋場(chǎng)終場(chǎng)覆蓋土中的甲烷氧化活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)氧化活動(dòng)主要發(fā)生在 0~30 cm 深處；而在 10~20 cm 處，甲烷氧化菌數(shù)量最多，活性最強(qiáng)，故甲烷氧化活動(dòng)在此處最強(qiáng)烈；大于50 cm的深度會(huì)因?yàn)镺2被上部的甲烷氧化活動(dòng)消耗殆盡，因此幾乎沒(méi)有甲烷氧化活動(dòng)。楊文靜等（2010）以陶粒和堆肥復(fù)合基質(zhì)生物覆蓋層為研究對(duì)象，進(jìn)行試驗(yàn)室模擬土柱試驗(yàn)，結(jié)果表明，從經(jīng)濟(jì)—生態(tài)耦合效益考慮垃圾填埋場(chǎng)覆蓋層厚度為30 cm時(shí)甲烷氧化效率最佳，這一厚度的覆蓋層可以長(zhǎng)期達(dá)到100%的甲烷氧化率。

3.4 覆蓋層植被

垃圾填埋場(chǎng)上覆土層的植被覆蓋率和根系發(fā)展情況也會(huì)影響甲烷氧化菌的活性。Bohn等（2011）通過(guò)土柱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，植被提高了土壤中空氣的擴(kuò)散率，增加了O2的滲透程度，減少了滲濾液，并通過(guò)使用豆科植物，改善了氮供應(yīng)，從而提高了甲烷氧化效能。王峰等（2012）利用土柱試驗(yàn)?zāi)M填埋場(chǎng)生物覆蓋層，發(fā)現(xiàn)植物利用其蒸騰作用能明顯降低土體的含水率，避免土體孔隙因水堵塞，改善 O2和 CH4擴(kuò)散。趙長(zhǎng)煒等（2010）發(fā)現(xiàn)植物根系可以促進(jìn)周?chē)餐林屑淄檠趸鷶?shù)量的增長(zhǎng)，并且使甲烷氧化活性提高38%~45%。提高CH4生物氧化效能。

植物促進(jìn)甲烷氧化菌氧化活性的原理目前還不十分明確，分析其原因可能是由于種植植被對(duì)垃圾填埋場(chǎng)覆土層中的甲烷氧化菌的群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大影響（余婷等，2008），促使甲烷氧化菌數(shù)量升高；或者覆土中微生物種群發(fā)生了變化，影響甲烷氧化菌的生長(zhǎng)及氧化活性（陳中云等，2001）；也可能是植物種類(lèi)及其根系在影響土體的透氣性和持水性的同時(shí)，還吸收了大量對(duì)甲烷氧化菌有害的銨態(tài)氮等底物，從而對(duì)甲烷氧化菌的氧化活性和生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生了間接的影響（趙長(zhǎng)煒等，2010）。

4 填埋場(chǎng)覆層改性材料

填埋場(chǎng)生物覆蓋層作為甲烷氧化作用的生物反應(yīng)器，是填埋場(chǎng)甲烷減排的重要途徑。覆蓋層基質(zhì)性能對(duì)其甲烷氧化能力影響較大，土層中甲烷氧化菌的數(shù)量和活性直接決定了土層對(duì)甲烷的氧化能力。營(yíng)造甲烷氧化菌的最佳生存環(huán)境，選擇和優(yōu)化填埋場(chǎng)覆層材料，可增強(qiáng)垃圾填埋場(chǎng)覆層對(duì)甲烷的削減效能。

4.1 填埋場(chǎng)覆蓋層材料

傳統(tǒng)的黏土作為填埋場(chǎng)覆層，其pH偏酸性且黏粒含量較高，不適宜甲烷氧化菌的生長(zhǎng)。很多學(xué)者對(duì)不同的改性填埋材料進(jìn)行了甲烷氧化測(cè)試，如堆肥類(lèi)混合物、庭院垃圾類(lèi)混合物、礦化垃圾與礦化污泥混合物，發(fā)現(xiàn)改性材料具有較高的甲烷氧化能力。例如，趙由才等（2006）表明，礦化垃圾細(xì)料較常規(guī)土壤具有優(yōu)良的理化性質(zhì)，能提供極好的吸附交換條件和優(yōu)良的微生物生存環(huán)境。張相鋒等（2010）發(fā)現(xiàn)按照1:1配比的堆肥物+陶粒的復(fù)合基質(zhì)的甲烷氧化效率可高達(dá)100%。Mei等（2015）對(duì)兩種綠色庭院垃圾進(jìn)行了甲烷氧化效能測(cè)試，結(jié)果表明新綠色庭院垃圾較老庭院垃圾具有更高的甲烷氧化速率，為200 g/m2/day。

然而，這些綠色廢物作為覆層材料會(huì)因腐熟度不高，抑制了甲烷氧化菌的活性（劉秉岳等，2015），或因充氣孔隙率低容易形成厭氧區(qū)，導(dǎo)致額外的甲烷產(chǎn)出（Reddy et al.，2015），或因宏觀空隙和裂隙導(dǎo)致優(yōu)先流的形成（Mostafid et al.，2012），可能不適宜于多種氣候和填埋條件。

4.2 生物炭—甲烷氧化菌改性覆層

生物炭是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的“綠色材料”，在土壤固碳、溫室氣體減排、土壤改良以及環(huán)境修復(fù)等方面均具有潛在功效（王宏勝等，2018）。近年來(lái)，將生物炭混合土作為覆層改性材料削減填埋場(chǎng)逸出甲烷的方法成為研究熱點(diǎn)。

生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積、高離子交換能力（李明玉和孫文靜，2019）。生物炭可以成為甲烷氧化菌存活的載體，為甲烷氧化菌提供了良好的棲息環(huán)境（Jaafar et al.，2014）。

生物炭加入土體后可改善土體微氣候及物理—化學(xué)性質(zhì)，如土體孔隙率、陽(yáng)離子交換量、pH值、養(yǎng)分供給等，有益于促進(jìn)菌的生長(zhǎng)及酶的活性，提高甲烷氧化菌的氧化效能。Reddy等（2015）研究表明，生物炭可以增加覆土中甲烷氧化菌菌群，比原土具有更大的甲烷氧化能力。

微生物活動(dòng)反過(guò)來(lái)改變混合土的性質(zhì)（何嫁等，2016），如甲烷生物氧化產(chǎn)生的弱酸環(huán)境造成生物炭pH值及表面官能團(tuán)的改變（Gul et al.，2015），影響覆層土的甲烷削減效能。Yaghoubi（2011）對(duì)比了加菌生物炭改性土通甲烷1個(gè)月與4個(gè)月的微觀結(jié)構(gòu)，后者表現(xiàn)出的土與生物炭間的相互作用(如膠結(jié)、填充等)比摻入之初更明顯，且可以看到更多的礦化和微生物殘留物。

生物炭還可以對(duì)甲烷進(jìn)行吸附削減。Yahoubi（2011）研究表明，生物炭增加了土體對(duì)甲烷的吸附能力，而當(dāng)生物炭達(dá)到飽和電位，對(duì)甲烷不再有吸附能力。Sadasivam和Reddy（2015）研究表明干生物炭改性土對(duì)甲烷的最大吸附能力比原土有顯著提高，改性土的甲烷吸附能力隨含水率的增加而降低。江超等（2017）研究表明，生物炭摻量20%改性土的最大氣體吸附量較原土提高了10倍。Suliman等（2017）發(fā)現(xiàn)，生物炭表面的官能團(tuán)會(huì)引起生物炭表面的負(fù)電荷和吸附電位增多，提高土體的吸附性能。

由此可見(jiàn)，向生物炭載體中接種高效甲烷氧化菌，形成生物炭—甲烷氧化菌改性覆層（Biochar-Methanotroph Amended Cover，BMAC），如圖3所示，可進(jìn)一步提高覆層的甲烷氧化速率。甲烷經(jīng)過(guò)生物炭—甲烷氧化菌改性覆層，覆層土?xí)郊淄?，賦存于生物炭?jī)?nèi)的甲烷氧化菌會(huì)氧化甲烷，從而實(shí)現(xiàn)甲烷減排。

圖3 生物炭—甲烷氧化菌改性覆層示意圖Fig. 3 Schematic diagram of biochar-methane oxidizing bacteria amended cover layer

生物炭的加入又可改善土體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變土體的工程特性，如變形、持水、滲透特性和抗侵蝕能力（Jien and Wang, 2013）。生物炭的多孔結(jié)構(gòu)和表面含氧官能團(tuán)可促進(jìn)土體團(tuán)聚，由于生物炭與土顆粒間相互作用，生物炭周邊的土顆粒微團(tuán)聚體結(jié)合成穩(wěn)定的大團(tuán)聚體，形成更大的孔隙，促使土體中大、中孔隙數(shù)量增加。田丹（2013）研究表明，在砂土中分別添加5%、10%、15%的花生殼生物炭后，孔隙度分別增大了13.28%、13.47%和33.65%；在砂土中分別添加5%、10%、15%秸稈生物炭后，孔隙度分別提高了9.23%、10.07%、12.88%。Karhu等（2011）研究表明，加入生物炭后覆層的保水性能顯著提高，推測(cè)與土體孔隙量變化有關(guān)。Suliman等（2017）發(fā)現(xiàn)，生物炭加入土體后的前幾周和幾個(gè)月內(nèi)被氧化，氧化生物炭的酸性官能團(tuán)總量高于未氧化生物炭，使氧化生物炭的持水性能顯著提高。Haque等（2014）研究了生物炭混合土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，添加生物炭初期土體強(qiáng)度低于后期土體的強(qiáng)度，由微觀測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，生物炭和土體間發(fā)生了包括界面膠結(jié)、沉淀作用和孔隙礦物充填作用，促使土體強(qiáng)度升高。Zong等（2014）發(fā)現(xiàn)，在黏土中加入生物炭，可以降低土體開(kāi)裂程度。文曼和鄭紀(jì)勇（2012）發(fā)現(xiàn)，向土壤中添加生物炭能有效降低土體干燥過(guò)程中的收縮程度，改善土體結(jié)構(gòu)，提高土壤持水性能。

5 展望

甲烷氧化菌在減少甲烷氣體排放方面得到了日益廣泛的應(yīng)用，垃圾填埋領(lǐng)域的甲烷氧化研究也正在受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。目前對(duì)于甲烷氧化菌的研究較多集中于實(shí)驗(yàn)室中的菌種篩選以及培養(yǎng)基條件下甲烷氧化菌甲烷氧化效能、氧化機(jī)理及其影響因素等方面的研究，而真正將甲烷氧化菌應(yīng)用于垃圾填埋場(chǎng)工程中的應(yīng)用研究并不多見(jiàn)。

填埋場(chǎng)改性覆層首先需滿(mǎn)足工程技術(shù)要求，如強(qiáng)度、滲透性、保水性、抗開(kāi)裂性、抗侵蝕性能和覆蓋厚度，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化覆層設(shè)計(jì)方案，以期達(dá)到高效的甲烷削減能力。生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積、高離子交換能力，可改善土體的物理—化學(xué)性質(zhì)，除可對(duì)甲烷進(jìn)行吸附削減外，還可促進(jìn)甲烷氧化菌的生長(zhǎng)及酶的活性，提高對(duì)甲烷的生物氧化削減能力。向生物炭載體中接種高效甲烷氧化菌，形成生物炭—甲烷氧化菌改性覆層，可進(jìn)一步提高覆層的甲烷氧化效能。該改性覆層的制備工藝、施工工藝的確定，如菌、土、生物炭三者的配比、拌合順序、菌液濃度、菌劑的接種方式、混合土壓實(shí)度和含水率等，需綜合考量是否滿(mǎn)足覆層的工程技術(shù)要求和高效削減經(jīng)填埋場(chǎng)覆層逃逸的甲烷。

生物炭—甲烷氧化菌改性覆層中，因晝夜溫差、季節(jié)交替帶來(lái)的溫度應(yīng)力作用和降雨、蒸發(fā)導(dǎo)致的干濕循環(huán)過(guò)程，生物炭—甲烷氧化菌—土體系之間發(fā)生了復(fù)雜的物理（擴(kuò)散、吸附）、生化（酶動(dòng)力學(xué)）和生理（滲透調(diào)節(jié)）過(guò)程的相互作用，引起覆層土微觀層面孔隙結(jié)構(gòu)、甲烷氧化菌的生存環(huán)境、存活率以及酶活性的改變，宏觀層面水—力特性（如持水、滲透、變形、強(qiáng)度）及甲烷削減效能的變化。

目前，對(duì)生物炭改性土進(jìn)行的吸附、生物氧化試驗(yàn)以及生物炭改性土水—力特性的研究多是短期測(cè)試，較少考慮其隨時(shí)間的改變。需進(jìn)一步關(guān)注新鮮生物炭與長(zhǎng)期置于土中的老化生物炭的理化性質(zhì)（如pH值、孔隙結(jié)構(gòu)、表面官能團(tuán)）間的差異，以及由此造成甲烷吸附削減的變化；需要關(guān)注賦存于其中甲烷氧化菌的活性、甲烷氧化效能以及甲烷生物氧化削減隨時(shí)間而發(fā)生的變化；需要關(guān)注服役時(shí)間較長(zhǎng)的生物炭—甲烷氧化菌改性覆層土（如6個(gè)月以上）水—力特性隨時(shí)間的變化規(guī)律。從而，可以進(jìn)一步揭示生物炭—甲烷氧化菌—土之間的相互作用及其對(duì)覆層土宏觀特性的影響機(jī)制，對(duì)評(píng)價(jià)覆蓋層土摻入生物炭—甲烷氧化菌后，能否既滿(mǎn)足工程特性要求又實(shí)現(xiàn)有效削減甲烷的功能，具有十分重要的研究?jī)r(jià)值，可為填埋場(chǎng)改性覆蓋層的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供參考。