城市填埋场微生物分布及其环境响应特征

蒋小红

（上海建科环境技术有限公司 上海 200000）

引言

城市固废填埋场是城市固体废弃物处置的重要场所，相比较直接燃烧等利用方式，填埋场的运营处置成本相对较低，是世界上最常用的城市固废处置方式[1]。即使在欧美等发达地区，倡导废弃物回收利用，但是废弃物填埋场仍是城市垃圾不可或缺的消纳场所。此外填埋场可作为一种环境友好型的生物反应器运行以收集甲烷等气体用作清洁能源，具有其独特的优势[2]。利用填埋场的微生物等构建填埋场生物反应器是处置利用城市固废的新型生物技术，为传统填埋生物处理技术在城市生活垃圾处理中的应用提供了新的机遇[4]。综合来看填埋场生物反应器是一种良好的城市废弃物管理工具和产甲烷的理想技术。因此，有必要更好地了解城市固废填埋场的微生物生态学，以开发可行的生物降解技术。

城市固体废弃物成分复杂，填埋物中包含玻璃、金属、陶瓷和建筑垃圾等很难降解的成分，一些工业废弃物例如塑料和橡胶等，其化学结构多为多环芳烃和多氯联苯，也不容易被大多数微生物降解[4]。然而，大部分城市废弃物都是可生物降解的有机材料，例如纸张、食物、植物材料以及皮革和纺织品。城市废弃物（如食物垃圾）可降解成分在微生物的作用下可以作为资源使用，例如产生甲烷气体。食物垃圾的营养成分和水分含量更高，有利于微生物的繁殖，是利用生物反应器处理城市生活垃圾的良好基础[5]。

填埋场废弃物生物降解由不同类型的细菌、古菌和真菌共同作用，将废弃物可利用成分分解、发酵和产甲烷，以完全矿化转化为无机盐、水和气体。研究生物反应器中城市固体废弃物生物处理过程中的微生物生态特性，有利于更好的利用微生物处置固体废弃物。填埋场生物反应器固废的降解情况和微生物的活性，生态多样性受填埋场的物理化学条件影响[6]。然而在不同国家，尤其是发展中国家原位影响填埋场生物过程的关键因素的研究相对匮乏。

全球趋势表明，城市固体废弃物数量和复杂性显著增加，特别是在工业化和城市地区，因此研究了解填埋场生物处置的主要影响因素，对于提高填埋场的作为固废管理工具的效率具有重要意义。本文从填埋场微生物多样性、微生物代谢功能以及微生物活性和多样性对生态因素的响应等方面对填埋场微生物研究现状进行了阐述，以期助力填埋场生物处置技术的更好发展。

1 城市固体废弃物填埋场微生物生态学特征

1.1 微生物分类学

对城市固废填埋场微生物生态学多样性的研究可以追溯到20 世纪80 年代。在过去15-20 年中，随着微生物培养方法和分子生物学方法技术手段的进步，关于填埋场微生物开展了大量研究[7]。早期关于填埋场微生物的研究主要通过传统的选择性培养基进行筛选培养鉴定，然而填埋场中大多数微生物不能在培养基上生长，培养的方法只能识别出极少数的微生物。随着高通量测序的快速发展，尤其是宏基因组技术的出现，使得大规模研究环境介质如水体、土壤、污泥及垃圾填埋场中的微生物群落生态学成为可能。目前对填埋场样品微生物生态学的分析多基于16S rDNA 或RNA 序列引物，这些引物是细菌和古菌基因组扩增和测序的重要标记。

固废填埋场中细菌的种类分布较为丰富，变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门以及螺旋菌门是分布最为广泛的细菌门类，一共占总细菌群落的90%左右[8]。变形菌门在自然界中广泛分布，可以降解单糖、抗生素和短链脂肪酸等多种物质，是填埋场生态系统的优势物种，在该生态系统中五种变形菌纲均能检测到[8]。厚壁菌门则以杆菌纲和梭状芽胞杆菌纲为主，拟杆菌门主要为拟杆菌纲和鞘脂杆菌纲。相比于变形菌门，厚壁菌门和拟杆菌门二者主要是水解淀粉和纤维素等多糖成分。

填埋场古菌以广古菌门为主，特别是产甲烷杆菌、甲烷微球菌和球菌，而泉古菌门占比相对较少。填埋场土壤中古菌与甲烷密切相关，是产甲烷的关键微生物。此外，细菌中存在好氧甲烷氧化菌，以甲烷为碳源和能源，是重要的甲烷消除菌[3]。相比于细菌和古菌，关于填埋场生态系统中的真菌相关研究较少，有学者在填埋场土壤中发现了真菌中的子囊菌门，其具备一定的腐生能力[9]。一般而言细菌和古菌群落比真菌具有更多的功能优势，能够代谢更多的无机和有机底物，是填埋场生态系统的优势物种，是保持生态系统平衡的重要分解者。

填埋场微生物分类一般受多种条件的影响，例如填埋深度、填埋时间等的影响。一般而言，填埋场微生物数量丰度随填埋深度的变化呈现表层高，中层有所下降，到底层又增多的趋势[7]。这是因为填埋场表层的成分有机质含量较高，且土壤孔隙度大，氧气浓度高，同时温度适中，有利于填埋固体废弃物携带的好氧及兼性厌氧微生物的快速繁殖增长，提高表层微生物的多样性丰度。而在填埋场中层，因为深度的增加，氧分压降低，好氧微生物丰度减少，对应兼性厌氧和专性厌氧的微生物增多，环境条件的波动使得微生物丰度下降。填埋场的底层固废填埋物由于经过长时间的厌氧发酵等过程，环境条件相似度高，主要优势种群相似，均匀度较高，微生物的多样性指数较高。

填埋场微生物的多样性还受到填埋时间的显著影响，同一填埋场相同填埋深度不同填埋时间的微生物多样性一般会呈现明显差异[7]。一般情况，填埋场表层的微生物多样性受填埋时间影响较为剧烈，填埋时间较短的表层土壤微生物种群多样性较高，而优势种群较少，随着填埋时间的增加，表层土壤的微生物会经过选择强化分解功能，优势种群会逐渐占据主导地位。而随着填埋深度的增加，不同填埋时间的微生物种群多样性表现出一定的相似性，群落结构趋于一致，深层的微生物群落结构主要受填埋深度的影响，对填埋时间的响应较小。

1.2 填埋场废弃物生物处置：微生物代谢功能

城市固废填埋场中废弃物的生物降解取决于有机基质的性质和数量，虽然城市固废成分复杂，由各种各样的垃圾材料组成，但是其中大部分简单碳氢链化合物和复杂芳香族化合物都是可以生物降解的有机材料。一般而言，填埋场生物处理由水解、发酵和产甲烷过程组成。这些过程由异养型和自养型的微生物所驱动，不同过程包含不同细菌、古菌和真菌，例如纤维素水解过程的放线菌、发酵产酸过程的厚壁菌、产甲烷过程的产甲烷菌等[2]。真菌主要负责底物降解的有机物阶段，解聚底物，从而为后续的细菌、古菌活动提供能量、碳源和其他营养物质。细菌包含好氧细菌和厌氧细菌，好氧细菌负责水解过程，为厌氧细菌提供底物，也存在部分梭菌属可以在厌氧条件下进行水解。厌氧细菌通过乙酰化和酸化代谢产生单体，作为古菌产甲烷和二氧化碳的前体物，最终古菌在厌氧条件下完成产甲烷过程。

填埋场废弃物底物的水解是降解的关键过程，由微生物对特定化学键的酶解和化学结构中特定官能团的解体完成。固体废弃物经过表面覆盖复合土工膜后，可降解成分会在好氧生物的作用下迅速水解，目前已从城市固废填埋场中检测到微生物纤维素酶的活性，可以协同催化水解纤维素材料，此外还有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和磷酸酶等可以分解食物垃圾。填埋场中纤维素物质能占到40%-70%，是最重要的可利用有机物，因此关于纤维素水解细菌的研究较多。纤维素水解细菌主要由厌氧型的梭菌属和部分革兰氏阳性菌以及好氧型的纤维单细胞属和噬纤维菌属等构成。纤维素水解酶的活性能够在一定程度上代表填埋场水解速率，纤维素水解的快慢会直接影响后续过程的速率。

发酵过程主要包含厌氧乙酰化和酸化的产酸过程，主要利用糖类、氨基酸和脂肪酸。厌氧发酵过程主要由固废填埋场的异养微生物在厌氧条件下完成，这一阶段伴随着有机酸的积累，氨氮的消耗，pH会逐渐下降。完成厌氧发酵产酸的微生物主要包含产酸微生物和产氢产乙酸微生物。其中产酸相关的细菌有厚壁菌门中的梭菌属、优干菌属和类芽孢杆菌属，以及拟杆菌门中的拟杆菌属、普氏菌属等。产氢产乙酸细菌一般需要和后续产甲烷细菌协同完成产酸过程，因此当系统乙酸浓度和氢较高时，产氢产乙酸细菌活性会受到抑制，而产甲烷菌可以以二者为底物合成甲烷。

产甲烷过程，由古菌利用醋酸菌代谢产生副产品有机酸和氢，通过有机酸和甲基化合物分解以及二氧化碳和甲醇的还原产生甲烷，完成填埋场固废的生物处理过程，是填埋场生物处理关键的一步[9]。在这一阶段，产甲烷菌利用有机酸作为电子供体，处理过程伴随着氨氮的生成，使得填埋场环境pH 升高。产甲烷菌主要分为乙酸营养型、H2营养型和甲基营养型三类，分别以乙酸、氢和甲基化合物为底物。

2 城市固废填埋场微生物的生态影响因素

城市固体废弃物在填埋场的生物降解程度和效率均取决于原位微生物群落，而微生物群落活性又受到填埋场环境条件的高度影响。生态因素例如营养元素、有机碳、氧气含量、水分含量、温度和pH 等对填埋场微生物活性存在影响，从而影响废弃物的生物降解，而微生物对不同生态因素响应的机理也存在不同。

营养元素例如氮和磷等，是生命体重要组成成分，一般而言厌氧微生物对氮和磷的需求要小于好氧微生物，适当浓度的营养元素有利于微生物的生长。而当氮、磷元素浓度过高时也会产生一定的污染，例如氨氮浓度过高时会提高体系pH，对厌氧消化过程产生毒害作用，抑制相关微生物的活性。

有机碳是异样微生物的重要电子供体和碳源，当填埋场固体废弃物中的有机碳浓度较低时，异养型的微生物生长缓慢，而当固废成分中有机碳占比增加时，可增加碳的可利用性，进而促进异养型微生物的生长，提高微生物的活性，加快固体废弃物的初始分解，提高体系温度，同时为后续过程提供反应底物，加快填埋场固废的整个生物处理过程。

氧气含量是影响填埋场微生物组成和丰度的关键因素，尤其是当土壤界面由好氧向厌氧条件转变时，一般而言好氧条件下微生物多样性和丰度更高。填埋场氧气含量的减少会限制好氧细菌和真菌对复杂底物的水解，进而减少后续微生物所需前体的供应，最终减少微生物的多样性和丰度。

温度会直接影响微生物的代谢活性，不同微生物最适温度范围存在差异。参与固废降解的大多数细菌都是中性的，而产甲烷菌则是嗜热性的。季节性的气候变化会导致填埋场温度变化，反过来又影响了微生物的活性，从而影响固废降解效率。一般情况下，传统封闭式固废填埋场的细菌丰度呈现季节性变化，冬季时细菌丰度最低，夏季细菌丰度最高，20℃时细菌的活性最高[10]，导致不同季节填埋场沼气产量存在差异。

水分含量通过刺激基质的水解和生物利用率，在调节微生物呼吸速率方面发挥着重要作用。高含水率会导致填埋场饱和，限制土壤的通气，降低填埋场氧气含量。传统的垃圾填埋场水分含量完全取决于降雨，雨季时存在填埋场水分饱和的风险，而旱季时有限的水分供应又会限制微生物的活性。

关于pH 对微生物活性的影响研究起步较早，研究人员发现通过添加碳酸钙中和垃圾分解过程中的酸性pH，有利于提高甲烷产气量[10]。固废填埋场系统在生物处理过程中形成一个pH 值的缓冲体系，主要由碳酸盐体系控制，会自我调节pH 值。不同微生物最适pH 范围不同，发酵细菌在酸性条件增殖速度较快，而随着有机酸的分解，pH 上升，更适宜碱性条件的产甲烷菌丰度提高，完成生物处理过程。

结语

尽管城市固体废弃物的生物处理复杂多变，受多种自然生态因素的影响，城市固废填埋场仍是世界各地固体废弃物管理的一种常用手段。新型填埋场的设计离不开全面了解填埋场内部微生物的群落多样性及生态学特征。了解城市固体废弃物填埋场中各种微生物的生态特征及其与可降解成分的相互作用，有利于发挥填埋场作为固废处置管理工具的可持续性。

深入研究填埋场生态系统生物功能和微生物基因组学，将连续监测填埋场微生物群落结构纳入管理工作，有助于实现城市固体废弃物更高效和更有益的利用。