污泥厌氧消化微生物研究进展

郭广亮，刘伟，王欣，范超

（1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨150090；2.黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨150090）

污泥厌氧消化微生物研究进展

郭广亮1，2，刘伟1，2，王欣1，2，范超1

（1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨150090；2.黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨150090）

污泥的厌氧消化处理过程在回收能源物质的同时，可杀灭病原微生物，并在一定程度上改善污泥脱水性能，真正意义上做到了污泥的合理化处理，备受业界推崇。从厌氧消化原理入手，回顾污泥厌氧消化微生物的发展历史，着重研究产酸菌、产甲烷菌及产氢菌的特征、分类及代谢途径和能源转换机理，为微生物的生长繁殖和功能发挥提供良好的条件基础，为从源头提高污泥厌氧消化的效率提供指导意义，并对污泥微生物的能源与环境应用提出期望与要求。

污泥；厌氧消化；微生物

截至2015年年底，全国城镇累计建成污水处理厂3 800余座，污水处理能力已达到1.62亿m3/d，其中超过90%的污水厂选择活性污泥法作为其核心工艺，污泥产量（以含水率80%计）已突破3 000万t/a［1］。污泥的厌氧消化处理过程在回收能源物质的同时，可杀灭病原微生物，并在一定程度上改善污泥脱水性能，真正意义上做到了污泥的稳定化、资源化和减量化处理处置，备受业界推崇［2］。为提高污泥厌氧消化的效率，从厌氧消化原理入手，研究各个阶段优势微生物菌群种类和作用机理，为微生物的生长繁殖和功能发挥提供良好的条件基础，保证和促进厌氧消化过程的稳定和高效运行，实现对污泥处理过程的精密控制，对生产实际具有重要指导意义。

探求污泥厌氧消化微生物的发展历史，最早追溯到1776年Alessandro发现湖底的沉积物可以产生一种气体，并证实这种气体主要成分为甲烷；经过近百年的研究探索，终于在1868年，Bechamp经过大量的实验验证得出，微生物的作用是甲烷产生的主要原因；Tappeiner在1882年利用反刍动物消化物为实验材料证实了Bechamp的结论。1936年，轰动一时的研究成果由Barker团队所提出，至此产氢产乙酸菌和产甲烷菌成为厌氧消化微生物的两个分支。在此后的30年间，研究进入瓶颈阶段，直到1967年，Bryant对Hungate建立的高效的厌氧消化技术进行改进，分离了产氢产甲烷MOH和分解乙醇产生氢和乙酸的S菌株。1978年研究取得突破性进展，Mall和Smith等利用放射性同位素示踪法证实70%的甲烷来自乙酸分解。1988年，Zinder提出了至今仍被认可与应用广泛的五菌群模型，前三类细菌称为酸化细菌，后两类称为产甲烷菌，酸化细菌代谢产生的有机酸、氢和二氧化碳在产甲烷菌的作用下转化成甲烷。发展到今日，对污泥厌氧消化影响最为关键的三种微生物分别是产乙酸菌、产甲烷菌和产氢菌，现对其进行详细论述。

1　产乙酸微生物研究进展

污泥厌氧消化系统中的复杂有机物经过酸化细菌的发酵作用，最终产生氢、二氧化碳和乙酸，为产甲烷菌的生长提供必要的物质基础。产氢产乙酸菌和同型产乙酸菌是酸化细菌具有重要代表性［3］。

1.1产氢产乙酸菌

产氢产乙酸菌（H2-producing acetogens，HPA）主要作用对象为丙酸、丁酸等两碳以上的有机酸和醇，最终将其转化为乙酸、氢气和二氧化碳，并产生新细胞。标准条件下，HPA降解短链脂肪酸的反应吉布斯自由能大于零，不可自发进行，无电子受体（等）存在时，产甲烷菌与HPA协同作用，对H2分压的消耗可以促进反应正向进行［4-6］。

可被HPA作为碳源和能源的底物利用范围十分有限，且专属性突出。HPA主要包括专性互营细菌和兼性互营细菌两种类型，前者主要依赖将H2或甲酸盐作为唯一电子受体的消耗菌活性（如Syntrophobacterwolinii与Syntrophomonas wolfei等）；而后者既可以通过自身单独降解某些有机大分子获得所需的能量，也可与一些协同菌进行互营代谢（如Ruminococcus albus与耗H2菌Wolinella succinogenes）［5，7，8］。

1.2同型产乙酸菌

同型产乙酸菌(Homoacetogen,HOMA)利用CO2作为末端电子受体与H2作用形成乙酸。HOMA分布广泛，几乎存在于所有厌氧环境中，化能自养能力突出，且可利用底物、能量和电子受体类型多样。HOMA产乙酸能力强，理论上可降解1分子葡萄糖生成3分子乙酸［4］。HOMA是一类具有相同代谢功能的微生物类群的统称，这类微生物的共同特点是固定CO2作为细胞的碳源，在乙酰辅酶A途径末端接受电子，并与能量的贮存相耦联，最终能将CO2还原为乙酰辅酶A［9］。其中具有代表性的有乙酸梭菌（Clostridium aceticum）和热醋穆尔氏菌（Moorella thermoacetica）［10］。

2　产甲烷菌研究进展

产甲烷菌属于古细菌的水生古细菌门(Euryarchaeota)，在绝对厌氧的生境中存在广泛，是污泥厌氧消化微生物中关键的菌群构成。

2.1产甲烷菌典型微生物菌属

甲烷菌主要包括甲烷球菌、甲烷微菌、甲烷杆菌、甲烷火菌和甲烷八叠球菌5类［11］。根据产甲烷菌利用基质的种类又将其分为乙酸型产甲烷菌和氢型产甲烷菌两大类，但实际上，此种划分并不十分严格，有的甲烷菌既可以利用乙酸，也可以利用氢来产甲烷，如巴氏甲烷八叠球菌［12］。产甲烷菌的具有区别于其他菌属的共同特性：第一，严格厌氧，与氧接触可以抑制其活性和繁殖，甚至杀死菌体［13］。第二，可利用底物少，生长缓慢，只可以直接分解利用相对简单的物质（如二氧化碳、氢、甲酸、乙酸等）［14］。第三，代谢终产物都为甲烷、二氧化碳和水。第四，产甲烷菌体中有区别于其他微生物及动植物的7种辅酶因子。第五，细胞壁结构独特，没有D-氨基酸和胞壁酸［15，16］。

2.2产甲烷菌的代谢机理

甲烷的合成原料可分成三类，乙酸，氢、二氧化碳和甲基化合物，从生物学角度研究出发，能量源泉ATP是细胞膜内外化学梯度的作用结果，自养型的产甲烷菌利用ATP进行基本的糖酵解途径（EMP）、三羧酸循环（TCA）、氨基酸和核苷酸代谢过程，过程中的通道蛋白和转运蛋白为其正常的生长繁殖和物质运输提供了能量来源与营养保障［17，18］。

3　产氢菌研究进展

污泥厌氧消化的水解酸化阶段是整个厌氧过程的开始，也是污泥融胞、释放有机质为后续消化提供底物的阶段，氢气作为一种中间产物，如果可以抑制甲烷菌和硫化菌等耗氢菌的消耗代谢，将作为一种稳定的清洁能源被获取，而这一过程需要明确产氢微生物的作用机理。

3.1厌氧消化产氢细菌种类

厌氧消化过程中，产氢菌主要分为严格厌氧产氢细菌、兼性厌氧产氢细菌和混合厌氧产氢菌群三类［19］。严格厌氧产氢细菌主要是梭状芽抱杆菌属（Clostridium）的各种细菌。Chadiwich和Irgens等［20］研究了不同的包埋剂（聚丙烯酞胺凝胶，琼脂凝胶）和不同的营养基质（葡萄糖，酒精废水）对丁酸梭菌（Clostridium butyricurn）厌氧产氢的影响，结果表明，前者产氢能力为1.8～3.2L/Ld，产氢时间为20d；后者产氢38.64mL/gd,产氢时间为180d。Brosseau等［21］利用葡萄糖为底物对巴氏芽抱梭菌（Clostridium Pasteasrianum）产氢效果进行研究，结果表明，产率为1∶1.5，纯度大于85%，即每利用1mol葡萄糖可以产生1.5mol氢气，并在葡萄糖浓度为7.6g/m3时获得最大产氢速率（9.0mmolH2/h）和比产氢速率（2.5 mmo1H2/hg干细胞）。

兼性厌氧产氢细菌主要是肠杆菌属（Enterobacter）的某些细菌。Tanisho等［22］研究了酸度（pH）对肠杆菌菌株的比产氢速率的影响效果，结果表明，比产氢速率与pH值在一定范围内（5.5～8.0）呈现先增高后降低的趋势，最大的比产氢速率在pH值为6.0时获得，达到16mmolH2/h（g干细胞）。Kumar N和Das D等［23，24］研究了不同基质与比产氢率间的关系，结果表明，以葡萄糖、纤维二糖和蔗糖为基质的比产氢率分别为2.2、5.4和6.0 mo1 H2/mol基质。

混合厌氧产氢菌群是由多种厌氧产氢细菌共生产氢。Roychowdhury等［25］研究大肠埃希氏菌（E coli）和柠檬酸细菌属（Citrobacter spp.）对不同基质的产气组成影响，发现混合厌氧产氢菌群作用后的产气组成中仅有CO2和H2，分别为13%和87%。哈尔滨工业大学任南琪和王宝贞［26］等利用厌氧活性污泥与糖类和淀粉联合发酵制取氢气，产气效果突出。

3.2产酸发酵细菌产氢机理

一些微生物可以通过厌氧发酵降解有机废弃物中的有机物，从而释放氢气，这些微生物中有些是严格厌氧，有些则是兼性厌氧，它们可以分解脂肪酸、淀粉、纤维素、葡萄糖、蛋白质以及氨基酸等多种有机物［27］。这些细菌主要通过四种不同的形式将有机物分解释放氢气：第一种形式是通过丙酮酸脱梭作用产氢，属于EMP途径，在这一过程中丙酮酸脱梭脱氢生成乙酞，脱下的氢再经铁氧还蛋白的传递作用最终释放出分子氢。第二种是通过NADH/NAD+氧化还原平衡调节产氢。第三种形式是产氢产乙酸菌的产氢作用。第四种形式是NADPH作用产氢［27，28-32］。在厌氧的环境下，产氢细菌需要保持NADH或NADPH的平衡，如果这种平衡遭到破坏，将无法继续进行生化反应，细菌自身将停止生物代谢过程，因此，保证NADH或NADPH循环再生是控制生物有机体代谢过程的一个重要因素。

4　展望

目前，我国正面临能源与环境两大问题，早在“十一五”规划中我国就将资源环境领域作为重大专项发展项目，以畜牧业和自然界中的废弃物牛粪以及污泥为原料进行厌氧发酵，产生以甲烷为主的沼气以及其他形式能源，在环境保护和能源产生方面都起到了重要作用。在“十三五”发展规划中，习近平总书记更是强调了发展绿色经济要重点发展“科技含量高、资源消耗低、环境污染少的生产方式”，污泥的厌氧消化处理方式在节约能源以及减少污染方面表现出巨大的发展潜力。本文综述了污泥厌氧消化中产酸菌、产甲烷菌以及产氢菌的特征、分类及代谢途径和能源转换机理，为实践发酵产能过程的条件选择提供理论指导，最终期望通过理论探讨与试验考察结合，确定最佳厌氧发酵产能方案，为提高能源利用效率、降低污染排放奠定基础。

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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

郭广亮（1985-），男，工学硕士，研究实习员。