污泥厭氧消化微生物研究進展

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.黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱150090）

污泥厭氧消化微生物研究進展

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.黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱150090）

污泥的厭氧消化處理過程在回收能源物質的同時，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，著重研究產酸菌、產甲烷菌及產氫菌的特征、分類及代謝途徑和能源轉換機理，為微生物的生長繁殖和功能發(fā)揮提供良好的條件基礎，為從源頭提高污泥厭氧消化的效率提供指導意義，并對污泥微生物的能源與環(huán)境應用提出期望與要求。

污泥；厭氧消化；微生物

截至2015年年底，全國城鎮(zhèn)累計建成污水處理廠3 800余座，污水處理能力已達到1.62億m3/d，其中超過90%的污水廠選擇活性污泥法作為其核心工藝，污泥產量（以含水率80%計）已突破3 000萬t/a［1］。污泥的厭氧消化處理過程在回收能源物質的同時，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，研究各個階段優(yōu)勢微生物菌群種類和作用機理，為微生物的生長繁殖和功能發(fā)揮提供良好的條件基礎，保證和促進厭氧消化過程的穩(wěn)定和高效運行，實現對污泥處理過程的精密控制，對生產實際具有重要指導意義。

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)現湖底的沉積物可以產生一種氣體，并證實這種氣體主要成分為甲烷；經過近百年的研究探索，終于在1868年，Bechamp經過大量的實驗驗證得出，微生物的作用是甲烷產生的主要原因；Tappeiner在1882年利用反芻動物消化物為實驗材料證實了Bechamp的結論。1936年，轟動一時的研究成果由Barker團隊所提出，至此產氫產乙酸菌和產甲烷菌成為厭氧消化微生物的兩個分支。在此后的30年間，研究進入瓶頸階段，直到1967年，Bryant對Hungate建立的高效的厭氧消化技術進行改進，分離了產氫產甲烷MOH和分解乙醇產生氫和乙酸的S菌株。1978年研究取得突破性進展，Mall和Smith等利用放射性同位素示蹤法證實70%的甲烷來自乙酸分解。1988年，Zinder提出了至今仍被認可與應用廣泛的五菌群模型，前三類細菌稱為酸化細菌，后兩類稱為產甲烷菌，酸化細菌代謝產生的有機酸、氫和二氧化碳在產甲烷菌的作用下轉化成甲烷。發(fā)展到今日，對污泥厭氧消化影響最為關鍵的三種微生物分別是產乙酸菌、產甲烷菌和產氫菌，現對其進行詳細論述。

1　產乙酸微生物研究進展

污泥厭氧消化系統(tǒng)中的復雜有機物經過酸化細菌的發(fā)酵作用，最終產生氫、二氧化碳和乙酸，為產甲烷菌的生長提供必要的物質基礎。產氫產乙酸菌和同型產乙酸菌是酸化細菌具有重要代表性［3］。

1.1產氫產乙酸菌

產氫產乙酸菌（H2-producing acetogens，HPA）主要作用對象為丙酸、丁酸等兩碳以上的有機酸和醇，最終將其轉化為乙酸、氫氣和二氧化碳，并產生新細胞。標準條件下，HPA降解短鏈脂肪酸的反應吉布斯自由能大于零，不可自發(fā)進行，無電子受體（等）存在時，產甲烷菌與HPA協(xié)同作用，對H2分壓的消耗可以促進反應正向進行［4-6］。

可被HPA作為碳源和能源的底物利用范圍十分有限，且專屬性突出。HPA主要包括專性互營細菌和兼性互營細菌兩種類型，前者主要依賴將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）；而后者既可以通過自身單獨降解某些有機大分子獲得所需的能量，也可與一些協(xié)同菌進行互營代謝（如Ruminococcus albus與耗H2菌Wolinella succinogenes）［5，7，8］。

1.2同型產乙酸菌

同型產乙酸菌(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、能量和電子受體類型多樣。HOMA產乙酸能力強，理論上可降解1分子葡萄糖生成3分子乙酸［4］。HOMA是一類具有相同代謝功能的微生物類群的統(tǒng)稱，這類微生物的共同特點是固定CO2作為細胞的碳源，在乙酰輔酶A途徑末端接受電子，并與能量的貯存相耦聯，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）和熱醋穆爾氏菌（Moorella thermoacetica）［10］。

2　產甲烷菌研究進展

產甲烷菌屬于古細菌的水生古細菌門(Euryarchaeota)，在絕對厭氧的生境中存在廣泛，是污泥厭氧消化微生物中關鍵的菌群構成。

2.1產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［11］。根據產甲烷菌利用基質的種類又將其分為乙酸型產甲烷菌和氫型產甲烷菌兩大類，但實際上，此種劃分并不十分嚴格，有的甲烷菌既可以利用乙酸，也可以利用氫來產甲烷，如巴氏甲烷八疊球菌［12］。產甲烷菌的具有區(qū)別于其他菌屬的共同特性：第一，嚴格厭氧，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，生長緩慢，只可以直接分解利用相對簡單的物質（如二氧化碳、氫、甲酸、乙酸等）［14］。第三，代謝終產物都為甲烷、二氧化碳和水。第四，產甲烷菌體中有區(qū)別于其他微生物及動植物的7種輔酶因子。第五，細胞壁結構獨特，沒有D-氨基酸和胞壁酸［15，16］。

2.2產甲烷菌的代謝機理

甲烷的合成原料可分成三類，乙酸，氫、二氧化碳和甲基化合物，從生物學角度研究出發(fā)，能量源泉ATP是細胞膜內外化學梯度的作用結果，自養(yǎng)型的產甲烷菌利用ATP進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程，過程中的通道蛋白和轉運蛋白為其正常的生長繁殖和物質運輸提供了能量來源與營養(yǎng)保障［17，18］。

3　產氫菌研究進展

污泥厭氧消化的水解酸化階段是整個厭氧過程的開始，也是污泥融胞、釋放有機質為后續(xù)消化提供底物的階段，氫氣作為一種中間產物，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，而這一過程需要明確產氫微生物的作用機理。

3.1厭氧消化產氫細菌種類

厭氧消化過程中，產氫菌主要分為嚴格厭氧產氫細菌、兼性厭氧產氫細菌和混合厭氧產氫菌群三類［19］。嚴格厭氧產氫細菌主要是梭狀芽抱桿菌屬（Clostridium）的各種細菌。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）和不同的營養(yǎng)基質（葡萄糖，酒精廢水）對丁酸梭菌（Clostridium butyricurn）厭氧產氫的影響，結果表明，前者產氫能力為1.8～3.2L/Ld，產氫時間為20d；后者產氫38.64mL/gd,產氫時間為180d。Brosseau等［21］利用葡萄糖為底物對巴氏芽抱梭菌（Clostridium Pasteasrianum）產氫效果進行研究，結果表明，產率為1∶1.5，純度大于85%，即每利用1mol葡萄糖可以產生1.5mol氫氣，并在葡萄糖濃度為7.6g/m3時獲得最大產氫速率（9.0mmolH2/h）和比產氫速率（2.5 mmo1H2/hg干細胞）。

兼性厭氧產氫細菌主要是腸桿菌屬（Enterobacter）的某些細菌。Tanisho等［22］研究了酸度（pH）對腸桿菌菌株的比產氫速率的影響效果，結果表明，比產氫速率與pH值在一定范圍內（5.5～8.0）呈現先增高后降低的趨勢，最大的比產氫速率在pH值為6.0時獲得，達到16mmolH2/h（g干細胞）。Kumar N和Das D等［23，24］研究了不同基質與比產氫率間的關系，結果表明，以葡萄糖、纖維二糖和蔗糖為基質的比產氫率分別為2.2、5.4和6.0 mo1 H2/mol基質。

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

3.2產酸發(fā)酵細菌產氫機理

一些微生物可以通過厭氧發(fā)酵降解有機廢棄物中的有機物，從而釋放氫氣，這些微生物中有些是嚴格厭氧，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、蛋白質以及氨基酸等多種有機物［27］。這些細菌主要通過四種不同的形式將有機物分解釋放氫氣：第一種形式是通過丙酮酸脫梭作用產氫，屬于EMP途徑，在這一過程中丙酮酸脫梭脫氫生成乙酞，脫下的氫再經鐵氧還蛋白的傳遞作用最終釋放出分子氫。第二種是通過NADH/NAD+氧化還原平衡調節(jié)產氫。第三種形式是產氫產乙酸菌的產氫作用。第四種形式是NADPH作用產氫［27，28-32］。在厭氧的環(huán)境下，產氫細菌需要保持NADH或NADPH的平衡，如果這種平衡遭到破壞，將無法繼續(xù)進行生化反應，細菌自身將停止生物代謝過程，因此，保證NADH或NADPH循環(huán)再生是控制生物有機體代謝過程的一個重要因素。

4　展望

目前，我國正面臨能源與環(huán)境兩大問題，早在“十一五”規(guī)劃中我國就將資源環(huán)境領域作為重大專項發(fā)展項目，以畜牧業(yè)和自然界中的廢棄物牛糞以及污泥為原料進行厭氧發(fā)酵，產生以甲烷為主的沼氣以及其他形式能源，在環(huán)境保護和能源產生方面都起到了重要作用。在“十三五”發(fā)展規(guī)劃中，習近平總書記更是強調了發(fā)展綠色經濟要重點發(fā)展“科技含量高、資源消耗低、環(huán)境污染少的生產方式”，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出巨大的發(fā)展?jié)摿?。本文綜述了污泥厭氧消化中產酸菌、產甲烷菌以及產氫菌的特征、分類及代謝途徑和能源轉換機理，為實踐發(fā)酵產能過程的條件選擇提供理論指導，最終期望通過理論探討與試驗考察結合，確定最佳厭氧發(fā)酵產能方案，為提高能源利用效率、降低污染排放奠定基礎。

［1］何強，吉芳英，李家杰.污泥處理處置及資源化途徑與新技術［J］.給水排水，2016，42（2）：1-3.

［2］曹秀芹，陳愛寧，甘一萍，等.污泥厭氧消化技術的研究與進展［J］.環(huán)境工程，2008，（s1）：215-219.

［3］Bouallagui H，Haouari O，Touhami Y，et al.Effect of temperature on the performance of an anaerobic tubular reactor treating fruit and vegetable waste［J］.Process Biochemistry，2004，39（12）：2143-2148.

［4］任南琪.產酸發(fā)酵微生物生理生態(tài)學［M］.北京：科學出版社，2005.

［5］Iannotti E L，Kafkewitz D，Wolin M J，et al.Glucose fermentation products in Ruminococcus albus grown in continuous culture with Vibrio succinogenes:changes caused by interspecies transfer of H2.［J］.Journal of Bacteriology，1973，114（3）：1231-1240.

［6］張春楊.厭氧互營細菌的生態(tài)、資源和分子系統(tǒng)學研究［D］.北京：中國科學院微生物研究所，2004.

［7］Pia K.Wü st,Marcus A.Horn,Harold L.Drake.Trophic links between fermenters and meth anogens in a moderately acidic fen soil［J］.Environmental Microbiology，2009，11（6）：1395-1409.

［8］Bryant M P，Campbell L L，Reddy C A，et al.Growth of Desulfovibrio in Lactate or Ethanol Media Low in Sulfate in Association with H2-Utilizing Methanogenic Bacteria［J］.Applied&Environmental Microbiology，1977，33（5）：1162-1169.

［9］Drake H L，Küsel K，Matthies C.Ecological consequences of the phylogenetic and physiological diversities of acetogens［J］.Antonie Van Leeuwenhoek，2002，81（1-4）：203-213.

［10］Lovell C R,Leaphart A B.Community Level Analysis:Key Genes of CO2Reductive Acetogenesis［J］.Methods in Enzymology，2005，397（397）：454-469.

［11］Liu Y，Whitman W B.Metabolic，Phylogenetic,and Ecological Diversity of the Methanogenic Archaea［J］.Annals of the New York Academy of Sciences，2008，1125（1125）：171-189.

［12］Harriott O T，Frazer A C.Enumeration of acetogens by a colorimetric most-probable-numberassay［J］.Applied&Environmental Microbiology，1997，63（1）：296-300.

［13］張國政.產甲烷菌的一般特征探討［J］.中國沼氣，1990，（02）：5-8.

［14］李順鵬.產甲烷細菌和古細菌研究進展［J］.江蘇沼氣，1992，（04）：1-4.

［15］張無敵，宋洪川.產甲烷細菌［J］.江蘇農村能源環(huán)境保護，1997，（02）：3-6.

［16］周大石.沼氣發(fā)酵原理與甲烷細菌的特性［J］.環(huán)境科技：遼寧，1993，（06）：83-87.

［17］Ollivier B，Cayol J L，Patel B K C，et al.Methanoplanus petrolearius, sp.nov.a novel methanogenic bacterium from an oil-producing well［J］.Fems Microbiology Letters，1997，147（2）：51-56.

［18］Lange M，Ahring B K.A comprehensive study into the molecular methodology and molecular biology of methanogenic Archaea［J］. Fems Microbiology Reviews，2001，25（5）：553-571.

［19］馬放，戴愛臨，任南琪，等.產酸相最佳發(fā)酵類型［J］.哈爾濱建筑大學學報，1995，（05）：63-68.

［20］Irgens L J C R L.Hydrogen Gas Production by an Ectothiorhodospira vacuolata Strain［J］.Applied&Environmental Microbiology，1991，57（2）：594-596.

［21］Brosseau J D，Zajic J E.Continuous microbial production of hydrogen gas［J］.International Journal of Hydrogen Energy，1982，7（8）：623-628.

［22］Tanisho S，Suzuki Y，Wakao N.Fermentative hydrogen evolution by Enterobacter aerogenes,strain E.82005［J］.International Journal of Hydrogen Energy，1987，12（9）：623-627.

［23］Kumar N，Das D.Electron microscopy of hydrogen producing immobilized E.cloacae,IIT-BT 08 on natural polymers［J］. International Journal ofHydrogen Energy，2001，26（11）：1155-1163.

［24］Kumar N，Das D.Continuous hydrogen production by immobilized Enterobacter cloacae,IIT-BT 08 using lignocellulosic materials as solidmatrices［J］.Enzyme&Microbial Technology，2001，29（4-5）：280-287.

［25］Roychowdhury S，Cox D，Levandowsky M.Production of hydrogen by microbial fermentation［J］.International Journal of Hydrogen Energy，1988，13（7）：407-410.

［26］任南琪，王寶貞.有機廢水處理生物制氫技術［J］.中國環(huán)境科學，1994，（06）：411-415.

［27］Das D and Vezirog T N.Hydrogen production by biology process：a survey of literature［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2001，26（1）：13-28.

［28］洪天求，郝小龍，俞漢青.有機廢水厭氧發(fā)酵產氫技術的現狀與發(fā)展［J］.合肥工業(yè)大學學報，2003，26（5）：947-952.

［29］蔡木林，劉俊新.利用廢水和固體廢棄物中有機質發(fā)酵產氫研究進展［J］.環(huán)境污染治理技術與設備，2004，6（5）：1-5.

［30］任南琪，李建政，林明，等.產氫發(fā)酵細菌產氫機理探討［J］.太陽能學報，2002，23（1）：124-127.

［31］Tanisho S，Kamiya N，Wakao N.Hydrogen evolution of Enterobacter aerogenes depending on culture:mechanism of hydrogene volution f om NADH by means of membrance-bound hydrogenase［J］. Biochimical and Biophisical Acta，1989，973（1）：1-6.

［32］朱建良，何世穎.活性污泥降解有機物制氫技術［J］.化工縱橫，2003，17（4）：5-9.

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，工學碩士，研究實習員。