生活垃圾填埋場(chǎng)微生物群落結(jié)構(gòu)與功能*

劉洪杰，徐晶，趙由才，宋立巖

（1.中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院環(huán)境微生物與生態(tài)研究中心，重慶400714；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200094）

生活垃圾填埋場(chǎng)微生物群落結(jié)構(gòu)與功能*

劉洪杰1，2，徐晶1，2，趙由才3，宋立巖1

（1.中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院環(huán)境微生物與生態(tài)研究中心，重慶400714；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200094）

生活垃圾進(jìn)入到衛(wèi)生填埋場(chǎng)后，在微生物菌群的作用下經(jīng)歷了好氧、厭氧酸化、初期產(chǎn)甲烷以及穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段逐步達(dá)到穩(wěn)定，同時(shí)其有機(jī)質(zhì)最終生物轉(zhuǎn)化為甲烷。對(duì)基于傳統(tǒng)微生物技術(shù)與新發(fā)展的宏基因組等生物技術(shù)研究填埋場(chǎng)各階段微生物菌群結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)果進(jìn)行綜述，發(fā)現(xiàn)生活垃圾組成異質(zhì)化及垃圾所處環(huán)境不同造成了填埋場(chǎng)微生物群落因地各異。并提出了此環(huán)境群落變化的主要研究難點(diǎn)和研究方向。

填埋場(chǎng)；微生物群落結(jié)構(gòu)與功能；甲烷氧化菌

垃圾被填埋后，垃圾中的可降解組分經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)最終得以分解。各種不同微生物通過(guò)對(duì)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)及相互間的協(xié)同作用共同完成對(duì)垃圾的降解過(guò)程［1］。垃圾降解一般經(jīng)歷4個(gè)階段：好氧階段、厭氧酸化階段、初始產(chǎn)甲烷階段和穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段［2］。由于各階段環(huán)境條件與基質(zhì)具有差異，因此各階段微生物種群各不相同［1］。盡管垃圾的組分有很大的差異，但是生活垃圾中均含有較多的有機(jī)質(zhì)，例如纖維素和半纖維素等［3］。這些有機(jī)質(zhì)在經(jīng)歷上述的降解過(guò)程后最終轉(zhuǎn)化為甲烷。而實(shí)現(xiàn)纖維素等有機(jī)質(zhì)降解至甲烷這一過(guò)程的主要菌群包括：纖維素水解菌群、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群等［1，4-5］。填埋場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生大量的甲烷及其他氣體混合物（二氧化碳、硫化氫、鹵代烴和芳香族等）在逸散過(guò)程中會(huì)馴化填埋場(chǎng)覆土，引起覆土微生物群落結(jié)構(gòu)與填埋體明顯不同，其中重要的差異即覆土微生物菌群含有大量的甲烷氧化菌［6］。

相比污水處理廠、污染土壤等環(huán)境介質(zhì)，垃圾填埋場(chǎng)作為一個(gè)特殊的環(huán)境單元，其微生物演替過(guò)程研究較少。Peter Kjeldsen等綜述了填埋場(chǎng)垃圾降解過(guò)程滲瀝液理化指標(biāo)變化［2］；楊琦等綜述了影響填埋場(chǎng)內(nèi)垃圾降解的因素，分析了其中的微生物種類(lèi)和數(shù)量及其相互關(guān)系［7］；Balaz等通過(guò)傳統(tǒng)的選擇性培養(yǎng)基對(duì)垃圾降解過(guò)程中的微生物變化進(jìn)行了較為詳細(xì)研究［1］；Jeremy等在菌株和16S rRNA克隆文庫(kù)水平研究基礎(chǔ)上對(duì)填埋場(chǎng)垃圾降解過(guò)程微生物群落的演化規(guī)律進(jìn)行綜述［8］。近10 a生物技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是宏基因組等技術(shù)廣泛運(yùn)用到環(huán)境介質(zhì)微生物群落的研究中，讓我們意識(shí)到自然界微生物數(shù)量及種類(lèi)的巨大多樣性，而可培養(yǎng)的微生物大約只有1%。因此本研究對(duì)過(guò)去20 a基于傳統(tǒng)微生物技術(shù)與新發(fā)展的宏基因組等分子生物學(xué)技術(shù)研究填埋場(chǎng)微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)果進(jìn)行綜述，為填埋場(chǎng)的運(yùn)行管理以及設(shè)計(jì)新一代衛(wèi)生填埋場(chǎng)提供微生物學(xué)的理論支持。

1 填埋場(chǎng)微生物群落的主要演替規(guī)律

填埋場(chǎng)內(nèi)各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化并非特異的存在于某一個(gè)特定的時(shí)期，而是貫穿于整個(gè)穩(wěn)定化過(guò)程之中，但是每個(gè)特定階段占主導(dǎo)的微生物種類(lèi)不同或者某一微生物的作用凸顯，引起宏觀上的特征參數(shù)發(fā)生變化，因此可以人為的將填埋場(chǎng)穩(wěn)定化過(guò)程劃分為4個(gè)階段：好氧階段、厭氧酸化階段、初始產(chǎn)甲烷階段和穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段［1-2］。

1.1 好氧階段（Aerobic phase）

填埋場(chǎng)覆土封場(chǎng)后，垃圾降解進(jìn)入到初始好氧階段。填埋初期，殘留在新鮮垃圾縫隙空間的氧氣迅速地被消耗，使簡(jiǎn)單有機(jī)物發(fā)生好氧生物降解生成二氧化碳和水并產(chǎn)生大量的熱［2］。垃圾的好氧生物降解過(guò)程是垃圾中可溶性有機(jī)物透過(guò)微生物細(xì)胞壁與細(xì)胞膜被微生物直接吸收，不溶性有機(jī)物被吸附在微生物體外，在微生物分泌的胞外酶的作用下水解成小分子可溶性物質(zhì)，再滲入細(xì)胞，然后在微生物的合成代謝與分解代謝作用下被消耗掉的過(guò)程［9］。此階段填埋場(chǎng)內(nèi)部溫度迅速升高但僅維持?jǐn)?shù)天，產(chǎn)生的填埋氣主要為微生物好氧分解代謝所產(chǎn)生的二氧化碳［1］。由于此階段反應(yīng)非常迅速，無(wú)論是可培養(yǎng)或者不可培養(yǎng)技術(shù)均對(duì)此階段的微生物群落結(jié)構(gòu)鮮有研究。

1.2 厭氧酸化階段（Anaerobic acid phase）

伴隨氧氣快速耗盡，填埋場(chǎng)迅速成為一個(gè)厭氧環(huán)境。在厭氧條件下，高分子有機(jī)物如纖維素和半纖維素被胞外酶緩慢水解成小分子可溶性有機(jī)物，與上階段未消耗的糖類(lèi)一同厭氧發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸、乙醇和二氧化碳，最后被產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌利用生成乙酸和氫氣，導(dǎo)致羧酸積累。在此階段，水解、發(fā)酵和產(chǎn)乙酸細(xì)菌占主要優(yōu)勢(shì)［2］。在水解和酸化電子傳遞的過(guò)程中微生物都會(huì)消耗一定的NH4+和堿度，較強(qiáng)的水解酸化作用使得該階段pH下降［10］。這一階段的菌群主要包括：纖維素水解菌群、產(chǎn)酸菌群和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群。

由454測(cè)序技術(shù)分析處于該時(shí)期的一個(gè)滲瀝液樣品可知：厚壁菌門(mén)（Firmicutes）是最主要的細(xì)菌門(mén)類(lèi)，與變形菌門(mén)（Proteobacteria）、擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）和螺旋體門(mén)（Spirochaetes）一共占總細(xì)菌序列的90%左右［11］。填埋場(chǎng)中厚壁菌門(mén)與擬桿菌門(mén)細(xì)菌主要功能是水解纖維素和淀粉等多糖，變形菌門(mén)可以分解可溶性糖類(lèi)為單糖和短鏈脂肪酸［12］。

1.2.1 纖維素水解菌群

自然界中可以降解纖維素的物種絕大多數(shù)分布在細(xì)菌域和真核生物域的真菌界中。好氧纖維素水解細(xì)菌多為放線菌門(mén)（Actinobacteria）的放線菌目（Actinomycetales），而厭氧多為厚壁菌門(mén)中的梭菌目（Clostridiales）［13］。纖維素水解細(xì)菌主要包含：厭氧發(fā)酵細(xì)菌、好氧革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和好氧滑動(dòng)細(xì)菌。厭氧發(fā)酵型纖維素水解細(xì)菌通常是梭菌屬（Clostridium）、瘤胃球菌屬（Ruminococcus）和熱解纖維素果汁桿菌屬（Caldicellulosiruptor）的革蘭氏陽(yáng)性菌，但也包含一些丁酸弧菌屬（Butyriv ibrio）、醋酸弧菌屬（Acetivibrio）和纖維桿菌屬（Fibrobacter）等革蘭氏陰性菌；好氧革蘭氏陽(yáng)性纖維素水解細(xì)菌有纖維單胞菌屬（Cellulomonas）和高溫雙歧菌屬（Thermobifida）［14］；好氧纖維素水解滑動(dòng)細(xì)菌有噬纖維菌屬（Cytophaga）和生孢噬纖維菌屬（Sporocytophaga）［13］。

垃圾中纖維素物質(zhì)占40%～70%［15］，代表填埋場(chǎng)最豐富的可生物降解有機(jī)質(zhì)，因此研究填埋場(chǎng)水解菌群的主要對(duì)象為纖維素水解種群。在填埋場(chǎng)群落的研究過(guò)程中，已發(fā)現(xiàn)的可水解纖維素的微生物除了早期Hungate通過(guò)分離培養(yǎng)獲得的丁酸弧菌和瘤胃球菌屬外還有：梭菌屬［16-18］、醋酸弧菌屬［16］、纖維桿菌屬［19-20］、微桿菌屬（Microbacterium）、乳桿菌屬（Lactobacillus）［20］、優(yōu)桿菌屬（Eubacterium）［18］、溶桿菌屬（Lysobacter）［21］、纖維單胞菌屬、鏈霉菌屬（Streptomyces）等細(xì)菌以及真菌中的毛霉屬（Mucor）［22］和新美鞭菌目（Neocallimastigales）［23］。研究發(fā)現(xiàn)纖維素的厭氧降解過(guò)程則可能主要由梭菌屬（厚壁菌門(mén)）和/或纖維桿菌屬（纖維桿菌門(mén)）控制［12，15，19］。

可能受填埋場(chǎng)初期大量羧酸和好氧階段后仍剩余的小分子糖類(lèi)等的抑制作用，模擬實(shí)驗(yàn)中厭氧纖維素水解菌群后期才表現(xiàn)出較快的生長(zhǎng)跡象［1］。實(shí)地填埋場(chǎng)好氧纖維素水解菌的研究發(fā)現(xiàn)在不同填埋區(qū)域，好氧纖維素水解細(xì)菌個(gè)數(shù)差別較大難以進(jìn)行比較［20］。纖維素水解過(guò)程較慢，可能在穩(wěn)定產(chǎn)甲烷期間決定著產(chǎn)甲烷的速率［1］。

1.2.2 產(chǎn)酸細(xì)菌

厭氧發(fā)酵過(guò)程可以將糖類(lèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槎替溨舅幔ㄒ宜帷⒈?、丁酸）、乙醇、二氧化碳和氫氣。在填埋?chǎng)中大多數(shù)發(fā)現(xiàn)的異養(yǎng)微生物都需要厭氧呼吸進(jìn)行生長(zhǎng)從而完成這一過(guò)程。填埋場(chǎng)中可能與產(chǎn)酸相關(guān)的細(xì)菌有厚壁菌門(mén)中的梭菌屬、Sedimentibacter、Anaerobranca、Atopostipes及優(yōu)桿菌屬、類(lèi)芽孢桿菌屬（Paenibacillus）和擬桿菌門(mén)中的Proteiniphilum、普氏菌屬（Prevotella）及Petrimonas還有梭桿菌門(mén)（Fusobacteria）［11-12，21］。

1.2.3 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌

產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌是一類(lèi)嚴(yán)格厭氧的真細(xì)菌，可以轉(zhuǎn)化發(fā)酵產(chǎn)物中的短鏈脂肪酸（除乙酸）和醇類(lèi)為乙酸、氫氣和二氧化碳等，但這一過(guò)程大多需要和產(chǎn)甲烷細(xì)菌等共同完成［24］。填埋場(chǎng)中有機(jī)酸尤其是乙酸的產(chǎn)生過(guò)程仍是一個(gè)黑箱模型［8］，而且由于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌大多為專性互營(yíng)細(xì)菌，很難在填埋場(chǎng)微生物群落的探索過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立的培養(yǎng)和研究。在填埋場(chǎng)的研究中檢測(cè)到的能夠產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的屬有Atopostipes、互營(yíng)單胞菌屬（Syntrophomonas）、Proteiniphilum、Petrimonas、Pelotomaculum、Gelria［11-12］。

1.3 初始產(chǎn)甲烷階段（Initial methanogenic phase）

不同填埋場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌如表1所示。垃圾降解進(jìn)入初始產(chǎn)甲烷階段時(shí)可明顯檢測(cè)到甲烷的產(chǎn)生。微生物利用乙酸為電子供體會(huì)產(chǎn)生一定的堿度，從而引起環(huán)境pH升高［10］。解除了過(guò)酸環(huán)境抑制作用的產(chǎn)甲烷古細(xì)菌隨后開(kāi)始利用酸化階段積累的羧酸并生成甲烷和二氧化碳，其中氫氣/二氧化碳和乙酸是主要基質(zhì)。纖維素和半纖維素的水解也隨著環(huán)境pH上升而逐步消除抑制開(kāi)始進(jìn)行［2］。由于產(chǎn)甲烷過(guò)程最后一步轉(zhuǎn)化主要由產(chǎn)甲烷菌完成，因此該階段微生物菌群研究主要集中在產(chǎn)甲烷古細(xì)菌，而對(duì)于真細(xì)菌研究較少。

表1 不同填埋場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌

宋立巖等用454高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)處于此階段的填埋場(chǎng)滲瀝液樣品進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在初始產(chǎn)甲烷階段的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上細(xì)菌群落構(gòu)成為：變形菌門(mén)占總細(xì)菌的59.6%，厚壁菌門(mén)占21.3%，擬桿菌門(mén)占11.5%，而其他門(mén)類(lèi)包括酸桿菌門(mén)、硝化螺旋菌門(mén)（Nitrospirae）、浮霉菌門(mén)（Planctomycetes）等組成了剩下的7.6%。在屬分類(lèi)上則是假單胞菌屬（Pseudomonas）占53.5%，未分類(lèi)Ruminococcaceae占8.3%，Petrimonas占6.2%，Sulfurimonas占4.6%［25］。

產(chǎn)甲烷菌隸屬于古菌域中的廣古菌門(mén)（Euryarchaeota），是嚴(yán)格厭氧的原核生物，根據(jù)營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型分為氫營(yíng)養(yǎng)型、乙酸營(yíng)養(yǎng)型和甲基營(yíng)養(yǎng)型3類(lèi)。以系統(tǒng)發(fā)育為主的產(chǎn)甲烷菌最新分類(lèi)將產(chǎn)甲烷菌分為5個(gè)大目：甲烷桿菌目（Methanobacteriales）、甲烷球菌目（Methanococcales）、甲烷微菌目（Methanomicrobiales）、甲烷火菌目（Methanopyrales）和甲烷八疊球菌目（Methanosarcinales）［26］。目前能夠利用乙酸產(chǎn)甲烷的只有甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina）和甲烷鬃菌屬（Methanosaeta）2個(gè)屬［27］。填埋場(chǎng)垃圾降解過(guò)程中產(chǎn)甲烷菌有一定的多樣性，優(yōu)勢(shì)菌主要為甲烷桿菌目、甲烷微菌目和甲烷八疊球菌目［28-30］。甲烷桿菌目和甲烷微菌目所包含的菌屬主要是氫營(yíng)養(yǎng)型，甲烷八疊球菌目的菌屬有氫營(yíng)養(yǎng)型、乙酸營(yíng)養(yǎng)型以及甲基營(yíng)養(yǎng)型。氫營(yíng)養(yǎng)型的甲烷微菌目和甲烷八疊球菌目已經(jīng)在模擬填埋場(chǎng)反應(yīng)器中以優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌被發(fā)現(xiàn)［16，31］。而以滲瀝液為研究對(duì)象的實(shí)驗(yàn)則有些發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為乙酸型的甲烷八疊球菌屬和甲烷鬃菌屬以及氫營(yíng)養(yǎng)型的甲烷桿菌目［28，32］，還有些研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為甲烷微菌目［29］。

填埋場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的定向選擇可能會(huì)使得老齡垃圾中產(chǎn)甲烷菌多樣性低于低齡垃圾［33］。根據(jù)反應(yīng)器模擬，垃圾的產(chǎn)甲烷過(guò)程可分為3個(gè)階段：第1階段由氫營(yíng)養(yǎng)型主導(dǎo)，第2階段乙酸營(yíng)養(yǎng)型顯著升高，成為主要營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型，第3階段乙酸營(yíng)養(yǎng)型逐漸降低，最終氫營(yíng)養(yǎng)型再次占優(yōu)勢(shì)［34］。但這種規(guī)律在實(shí)地填埋場(chǎng)中并未得到驗(yàn)證。各填埋場(chǎng)所具有的產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)規(guī)律可能隨著各地垃圾組分和操作環(huán)境不同而有所變化（見(jiàn)表1）。

1.4 穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段（Stable methanogenic phase）

垃圾中的羧酸逐步被耗盡后，盡管發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)酸速率較快，但纖維素和半纖維素水解過(guò)程進(jìn)行得比較緩慢，因此產(chǎn)甲烷速率不再加快，垃圾進(jìn)入穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段。在此階段由纖維素和半纖維素水解速率決定了產(chǎn)甲烷速率。羧酸產(chǎn)生與消耗達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，pH上升至一個(gè)穩(wěn)態(tài)范圍［2］。

由454高通量測(cè)序分析表明在穩(wěn)定產(chǎn)甲烷階段一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上細(xì)菌群落主要構(gòu)成為：擬桿菌門(mén)占總細(xì)菌的49.4%，變形菌門(mén)占39.9%，厚壁菌門(mén)占4.3%，而其他門(mén)類(lèi)包括硝化螺旋菌門(mén)（Nitrospirae）、浮霉菌門(mén)、綠菌門(mén)（Chlorobi）和綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）等組成了剩下的7.6%。精確到屬后優(yōu)勢(shì)菌分別是Fluviicola、Balneola、極小單胞菌屬（Pusillimonas）各占13.4%、13.1%和7.1%，而假單胞菌屬則只占2.7%。古細(xì)菌群落組成為：甲烷微菌目占57.6%，鹽桿菌目（Halobacterials）占20.3%，熱原體目（Thermoplasmatales）占2.8%，甲烷八疊球菌目占3.3%，甲烷桿菌目占1.2%［25］。

填埋過(guò)程有機(jī)物最終轉(zhuǎn)化為的甲烷是一種溫室氣體，會(huì)加劇全球變暖的過(guò)程。甲烷在逸散的過(guò)程會(huì)與垃圾和覆土接觸，能馴化出可以氧化甲烷的物種。上覆土為甲烷氧化的主要場(chǎng)所［6］。甲烷氧化菌以甲烷為唯一碳源和能源，可以分泌甲烷單氧酶氧化甲烷為甲醇。而后甲醇在甲醇脫氫酶的作用下氧化為甲醛，繼而在甲醛脫氫酶的催化下氧化為甲酸，最后經(jīng)甲酸脫氫酶氧化成二氧化碳。大部分甲烷氧化菌在分類(lèi)學(xué)中屬于γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria）和α-變形菌綱（Alphaproteobacteria）［37］。從填埋場(chǎng)覆土中發(fā)現(xiàn)的可以氧化甲烷的物種有甲基暖菌屬（Methylocaldum）、嗜甲基營(yíng)養(yǎng)菌屬（Methyloversatilis）［38］、甲基桿菌屬（Methylobacter）、甲基囊孢菌屬（Methylocystis）［39］、甲基熱菌屬（Methylothermus）、甲基微菌屬（Methylomicrobium）、甲基彎曲菌屬（Methylosinus）［40］和甲基八疊球菌屬（Methylosarcina）［41］。而邢志林等對(duì)覆土甲烷氧化進(jìn)行模擬研究發(fā)現(xiàn)：隨覆蓋層梯度增加甲基桿菌屬細(xì)菌比例呈現(xiàn)減小趨勢(shì)而甲基球菌目呈現(xiàn)增加趨勢(shì)［39］。填埋場(chǎng)覆土中甲烷氧化過(guò)程的優(yōu)勢(shì)菌種多為I型甲烷氧化菌中的甲基桿菌屬和II型甲烷氧化菌的甲基囊孢菌屬［39-41］。由于I型甲烷氧化菌對(duì)比于II型甲烷氧化菌有更高的甲烷親和性，那么可以猜測(cè)在填埋場(chǎng)覆土靠近地表部分甲烷濃度低而有利于I型甲烷氧化菌，而靠近垃圾層及其垃圾層內(nèi)部由于高濃度甲烷而更有利于II型甲烷氧化菌生長(zhǎng)，不過(guò)并未有實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這一結(jié)論。

2 討論與展望

生活垃圾組成異質(zhì)化及垃圾所處環(huán)境不同造成了填埋場(chǎng)微生物群落因地各異［20，29］。因此對(duì)這一生境微生物群落結(jié)構(gòu)與功能研究非常困難。目前對(duì)此環(huán)境群落變化研究的主要難點(diǎn)在于：采樣代表性問(wèn)題和群落結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的可行性問(wèn)題。

填埋場(chǎng)內(nèi)部物質(zhì)分布不均勻可能造成了同一填埋場(chǎng)內(nèi)不同區(qū)域的微生物群落結(jié)構(gòu)不同［29］，甚至不同區(qū)域可能處在不同的垃圾降解時(shí)期。以滲瀝液中的微生物作為填埋垃圾微生物的代表有一定的合理性，但是一些黏附于垃圾表面形成生物膜的種類(lèi)可能不易于隨滲瀝液排出，且微生物下滲后在收集單元內(nèi)與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分接觸，勢(shì)必也會(huì)發(fā)生一些變化，因而不能單獨(dú)用來(lái)精確地描述填埋場(chǎng)內(nèi)部復(fù)雜的生理狀況［42］。

以往對(duì)填埋場(chǎng)內(nèi)微生物結(jié)構(gòu)的研究往往只在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行，沒(méi)有連續(xù)的監(jiān)測(cè)微生物群落結(jié)構(gòu)變化也導(dǎo)致對(duì)該生境微生物結(jié)構(gòu)與功能的了解不足。填埋場(chǎng)一經(jīng)覆土很難對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行長(zhǎng)期檢測(cè)，如果在搭建初期就將這一問(wèn)題作為考慮范圍，對(duì)該生境研究、管理和考核都有重要的意義。

盡管宏基因組等分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，但是其應(yīng)用到垃圾降解過(guò)程甚少。有限的應(yīng)用宏基因組技術(shù)的研究一定程度上揭示了垃圾降解過(guò)程巨大的微生物群落結(jié)構(gòu)與功能。但垃圾填埋場(chǎng)的管理（甲烷產(chǎn)生、回收等）以及下一代快速穩(wěn)定垃圾填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)仍需要更全面的微生物學(xué)支持。有關(guān)填埋場(chǎng)內(nèi)部微生物種群和群落的生態(tài)以及不同微生物類(lèi)群之間的相互作用仍有待更深入的研究。

［1］Barlaz M A，Schaefer D M，Ham R K.Bacterial population de－velopment and chemical characteristics of refuse decomposition in a simulated sanitary landfill［J］.Appl Environ Microbiol，1989，55（1）：55-65.

［2］Kjeldsen P，Barlaz M A，Rooker A P，et al.Present and long-term composition of MSW landfill leachate：A review［J］.Crit Rev Environ Sci Technol，2002，32（4）：297-336.

［3］Barlaz M A，Ham R K，Schaefer D M.Mass-balance analysis of anaerobically decomposed refuse［J］.J Environ Eng ASCE，1989，115（6）：1088-1102.

［4］龍焰，沈東升，勞慧敏，等.填埋場(chǎng)中垃圾降解微生物機(jī)理研究進(jìn)展［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2006，32（1）：9-13.

［5］Barlaz M A，Ham R K，Schaefer D M，et al.Methane production from municipal refuse：A review of enhancement techniques and microbial dynamics［J］.Crit Rev Environ Sci Technol，1990，19（6）：557-584.

［6］何芝，趙天濤，邢志林，等.典型生活垃圾填埋場(chǎng)覆蓋土微生物群落分析［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2015，35（12）：3744-3753.

［7］楊琦，張亞雷，汪立忠，等.垃圾填埋場(chǎng)的厭氧降解作用及其微生物類(lèi)群［J］.中國(guó)沼氣，1997，15（3）：7-10.

［8］Semrau J D.Current knowledge of microbial community structures in landfills and its cover soils［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2011，89（4）：961-969.

［9］席北斗.有機(jī)固體廢棄物管理與資源化技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［10］周少奇.有機(jī)垃圾厭氧處理的微生物作用原理［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1999，27（7）：81-84.

［11］K?chling T，Sanz J L，Gavazza S，et al.Analysis of microbial community structure and composition in leachates from a young landfill by 454 pyrosequencing［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2015，99（13）：5657-5668.

［12］Xu S，Lu W，Liu Y，et al.Structure and diversity of bacterial communities in two large sanitary landfills in China as revealed by high-throughput sequencing（MiSeq）［J］.Waste Manage，2016.doi：http：//dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2016.07.047.

［13］Lynd L R，Weimer P J，Zyl W H，et al.Microbial cellulose utilization：fundamentals and biotechnology［J］.Microbiol Mol Biol Rev，2002，66（3）：506-577.

［14］李磊文.纖維素酶產(chǎn)生菌Thermobifida alba F-7的鑒定、酶學(xué)性質(zhì)、產(chǎn)酶優(yōu)化及糖化研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

［15］Burrell P C，O'Sullivan C，Song H，et al.Identification，detection，and spatial resolution of Clostridium populations responsible for cellulose degradation in a methanogenic landfill leachate bioreactor［J］.Appl Environ Microbiol，2004，70（4）：2414-2419.

［16］Li T，Mazéas L，Sghir A，et al.Insights into networks of functional microbes catalysing methanization of cellulose under mesophilic conditions［J］.Environ Microbiol，2009，11（4）：889-904.

［17］楊虹，杭曉敏，李道棠.垃圾填埋場(chǎng)中降解纖維素細(xì)菌的16S rDNA分析［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，36（10）：1500-1515.

［18］Westlake K，Archer D B，Boone D R.Diversity of cellulolytic bacteria in landfill［J］.J Appl Microbiol，1995，79（1）：73-78.

［19］Mcdonald J E，Lockhart R J，Cox M J，et al.Detection of novel Fibrobacter populations in landfill sites and determination of their relative abundance via quantitative PCR［J］.Environ Microbiol，2008，10（5）：1310-1319.

［20］Pourcher A M，Sutra L，Hébé I，et al.Enumeration and characterization of cellulolytic bacteria from refuse of a landfill［J］. FEMS Microbiol Ecol，2001，34（3）：229-241.

［21］Song L，Yang S，Liu H et al.Geographic and environmental sources of variation in bacterial community composition in a large-scale municipal landfill site in China［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2017，101（2）：761-769.

［22］何若.生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)中生活垃圾快速降解及其生物脫氮的機(jī)理研究［D].杭州：浙江大學(xué)，2004.

［23］Lockhart R J，Dyke M I，Beadle I R，et al.Molecular biological detection of anaerobic gut fungi（Neocallimastigales）from landfill sites［J］.Appl Environ Microbiol，2006，72（8）：5659-5661.

［24］李艷娜.產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌在厭氧產(chǎn)酸體系中的微生態(tài)機(jī)理分析［D］.無(wú)錫：江南大學(xué)，2008.

［25］Song L，Wang Y，Zhao H，et al.Composition of bacterial and archaeal communities during landfill refuse decomposition processes［J］.Microbiol Rese，2015，181：105-111.

［26］程國(guó)玲，李巧燕，李永峰.產(chǎn)甲烷菌細(xì)菌學(xué)原理與應(yīng)用［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2013.

［27］Conklin A，Stensel H D，F(xiàn)erguson J.Growth kinetics and competition between Methanosarcina and Methanosaeta in mesophilic anaerobic digestion［J］.Water Environ Res，2006，78（5）：486-496.

［28］Huang L，Chen Y，Zhou H，et al.Characterization of methanogenic archaea in the leachate of a closed municipal solid waste landfill［J］.FEMS Microbiol Ecol，2003，46（2）：171-177.

［29］Song L，Wang Y，Tang W，et al.Archaeal community diversity in municipal waste landfill sites［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2015，99（14）：6125-6137.

［30］黃立南.垃圾填埋場(chǎng)滲瀝液中微生物的分子生態(tài)學(xué)研究［D］.廣州：中山大學(xué)，2003.

［31］Nayak B S，Levine A D，Cardoso A，et al.Microbial population dynamics in laboratory-scale solid waste bioreactors in the presence or absence of biosolids［J］.J Appl Microbiol，2009，107（4）：1330-1339.

［32］Calli B，Durmaz S，Mertoglu B.Identification of prevalent microbial communities in a municipal solid waste landfill［J］.Water Sci Technol，2006，53（8）：139-147.

［33］Uz I，Rasche M E，Townsend T，et al.Characterization of methanogenic and methanotrophic assemblages in landfill samples［J］. P Roy Soc B-Biol Sci，2003，270：S202-S205.

［34］Qu X，Mazéas L，Vavilin V A，et al.Combined monitoring of changes in delta（CH4）-C-13 and archaeal community structure during mesophilic methanization of municipal solid waste［J］. FEMS Microbiol Ecol，2009，68（2）：236-245.

［35］宋立娜，王磊，夏孟婧，等.北京市北神樹(shù)生活垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)甲烷菌的群落結(jié)構(gòu)和演替規(guī)律［J］.環(huán)境科學(xué)，2015，36（9）：3493-3500.

［36］Krishnamurthi S，Chakrabarti T.Diversity of Bacteria and Archaea from a landfill in Chandigarh，India as revealed by culture-dependent and culture-independent molecular approaches［J］.Syst Appl Microbiol，2013，36（1）：56-68.

［37］Semrau J D，DiSpirito A A，Yoon S.Methanotrophs and copper［J］.FEMS Microbiol Rev，2010，34（4）：496-531.

［38］王曉琳.城市生活垃圾填埋場(chǎng)微生物多樣性與甲烷、氨氣減排研究［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2016.

［39］邢志林，趙天濤，高艷輝，等.覆蓋層甲烷氧化動(dòng)力學(xué)和甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)［J］.環(huán)境科學(xué)，2015，36（11）：4302-4310.

［40］Chi Z，Lu W，Wang H.Spatial patterns of methane oxidation and methanotrophic diversity in landfill cover soils of southern China［J］.J Microbiol Biotechnol，2014，25（4）：423-430.

［41］Su Y，Zhang X，Xia F，et al.Diversity and activity of methanotrophs in landfill cover soils with and without landfill gas recovery systems［J］.Syst Appl Microbiol，2014，37（3）：200-207.

［42］Staley B F，de los Reyes F L，Barlaz M A.Comparison of Bacteria and Archaea communities in municipal solid waste，individual refuse components，and leachate［J］.FEMS Microbiol Ecol， 2011，79（2）：465-473.

Microbial Community Structure and Function in Municipal Solid Waste Landfill

Liu Hongjie1，2，Xu Jing1，2，Zhao Youcai3，Song Liyan1
（1.Environmental Microbiology and Ecology Research Center，Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology，Chinese Academy of Sciences，Chongqing400714；2.University of Chinese Academy of Scienses，Beijing100049；3. State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji University，Shanghai200094）

After buried，municipal solid waste（MSW）undergoes a series of reaction phases（aerobic phase，anaerobic acid phase，initial methanogenic phase，and stable methanogenic phase）and consequently reaches to stable phase.At the same time，the organic matter is converted into methane by microbial community.Traditional microbiology technique and the emerging metagenomics techniques have been used to investigate the variation of microbial community structure and function during refuse decomposition in landfill.We reviewed the related studiesand found that the heterogeneity of refuse and local environment are the main factorsin shaping microbial community structure and function.Based on these findings，the obstacle and further study were discussed.

landfill；microbial community structure and function；methanotroph

X705；Q938

A

1005-8206（2017）02-0005-06

劉洪杰（1991—），碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣腆w廢物處置與資源化。

E-mail：liuhongjie@cigit.ac.cn。

宋立巖，副研究員。

E-mail：songliyan@cigit.ac.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金(51578528)

2016-11-06