嗜冷产甲烷菌及其在废水厌氧处理中的应用

表 #" 已命名的嗜冷产甲烷菌及其基本特征 $%&’ #" (%)*+ ,-./012,0343/ )*50%627*6- %6+ 50*31 &%-3/ /0%1%/5*13-53/分离时间 H&+$/,%I ,#-% 分离地点 H&+$/,%I !$/J% 外形特征 ! +!, ! -#. ! -/0 1+2!"+$+K#J （ 5 ）（ 5 ）（ 5 ） J"/2/J,%2 利用底物 生活 !B 范围 最适 !B 最适的 7/ P 生活的 7/ P +!,#-NL&/M$% !B 2/.K% 浓度 浓度 !B &NM&,/.J% O+2 7/ P J+.J%.,2/,#+. E!,#-N&NM&#&,%.J% 2/.K% O+2 7/ P &NM&#&,%.J% J+.J%.,2/,#+. （ --+$・Q > 3 ） （ --+$・Q > 3 ） 甲胺， 甲醇 AF ? ; )F ( ?F ? 366 ; 3666 ’66 ; 466
低， 在较高的温度下无法生存； 而兼性嗜冷微生物的 最适生长温度较高， 可耐受的温度范围较宽， 在中温 条件下仍可生长* 嗜冷微生物的量化分类指标一直存在着争议* 多数研究者参考最适生长温度 （ ! +!, ） 、 最低生长温 度 （ ! -#. ） 和最高生长温度 （ ! -/0 ） ( 个指标进行划分* 其中 1+2#,/
应 用 生 态 学 报! *##+ 年 ( 月! 第 "$ 卷! 第 ( 期! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Y@357=7 2BMA54D BL .CCD37J S?BDBG>，Z7C& *##+ ， 56 （(） ： *"*+’*")*
嗜冷产甲烷菌对于自然界的碳素循环具有非常重要的意义近年来引起了国内外学者的广泛关注利用嗜冷产甲烷菌实现低温厌氧生物处理过程可从本质上突破低温厌氧工艺的技术瓶颈进而大大拓展厌氧生物处理技术的应用范围并降低废水处理的成本本文针对研究者广泛关注的热点问题从分离培养及生理生化特性适冷机制和分子生物学研究几个方面对嗜冷产甲烷菌的研究进展进行了全面的综述并对其在低温厌氧生物处理技术中的应用前景进行了分析
［ (］ 气体的重要过程之一 & 因此， 产甲烷过程及产甲 烷菌的研究越来越受到人们的重视& 根据最适生长 的 不 同， 研究者将产甲烷菌分为嗜冷 温度 （ K BCF ） （ C=>?@ABC@3D3?， K BCF 低 于 *R V ） 、 嗜温 （ E7=BC@3D7=， K BCF 为 )R V 左右） 、 嗜热 （ F@7AEBC@3D7=， K BCF 为 RR V 左 右） 和极端嗜热 （ @>C7AF@7AEBC@3D7=， K BCF 高于 $# V ） % 个类群& 由于厌氧生物处理过程通常在中温或高温
产甲烷菌的名称及基本特征如表 3 所示* @ @ 以上 A 种嗜冷产甲烷菌均分离自永久性低温 （ 4 5 以 下 ）的 自 然 环 境 中， 除 了 "#$%&’()&*+,’& -&+.)$*,) 分离自淡水环境以外， 其他 4 种均来自海洋 或咸水湖* 需要指出的是， 不利用 B’ C DE’ ， 而多以甲 基类物质作为底物的产甲烷菌， 不与硫酸盐还原菌 竞争底物， 因此在盐度大的环境中更具优势， 可能存 在的范围更广， 如在不同的海域中均分离到 "#$%&/
［ (3 ］ 能够在 36 5 以 下 生 长 的 产 甲 烷 菌 ， 截 至 ’666 ［ 3< ］ 年， 得以分离培养并命名的产甲烷菌共有 )( 种 ， ［ 3’ > 3( ］ 而其中嗜冷产甲烷菌仅有 ’ 种 * 近 4 年内， 又 ［ <， 3? ， (’ > (( ］ 有 < 种嗜冷产甲烷菌得以命名 * 这些嗜冷
类法主要是针对好氧微生物提出的， 而厌氧微生物 的生存温度通常高于好氧微生物， 因此， 他们提出的 针对嗜冷产甲烷菌的分类方法温度范围更高： 专性 嗜冷产甲烷菌指 ! +!, 低于 ’4 5 、 ! -#. 低于 36 5 、 ! -/0 低于 (6 5 的产甲烷菌； 兼性嗜冷产甲烷菌指 ! +!, 高 于 ’4 5 、 ! -#. 低于 36 5 的产甲烷菌* 由于现有研究还不够充分， 这些量化的分类方 法是否能够准确对嗜冷微生物及嗜冷产甲烷菌进行 划分还有待考证， 而且在对嗜冷产甲烷菌的应用研 究中通常不需要进行如此细致的划分， 因此， 本文中 定义的嗜冷产甲烷菌指 ! -#. 低于 36 5 、 ! +!, 不超过 ’4 5 的产甲烷菌， 而称能在低温下存活但最适生长
( 南极洲 毛 球状， 单体 （ 6F ) > 3F ) N-） RJ% 湖， 南极洲 不规则、 不动 34 球状， 单体 （ 3F ’ > ’F 4 N-）
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B’ C DE’ 甲醇 B’ C DE’ 甲胺， 甲醇 B’ C DE’ 甲酸 甲醇， 甲胺 乙酸 甲胺， 甲醇
嗜冷产甲烷菌及其在废水厌氧处理中的应用 !
左剑恶 ! 邢! 薇
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（ 清华大学环境科学与工程系，北京 "###$% ）
摘! 要! 嗜冷产甲烷菌对于自然界的碳素循环具有非常重要的意义， 近年来引起了国内外学 者的广泛关注& 利用嗜冷产甲烷菌实现低温厌氧生物处理过程， 可从本质上突破低温厌氧工 艺的技术瓶颈， 进而大大拓展厌氧生物处理技术的应用范围并降低废水处理的成本& 本文针 对研究者广泛关注的热点问题， 从分离培养及生理生化特性、 适冷机制和分子生物学研究几 个方面， 对嗜冷产甲烷菌的研究进展进行了全面的综述， 并对其在低温厌氧生物处理技术中 的应用前景进行了分析和展望& 关键词! 嗜冷产甲烷菌! 低温厌氧生物处理! 适冷机制! 分子生物学技术 文章编号! "##"’())* （ *##+ ） #(’*"*+’#,! 中图分类号! -"+*! 文献标识码! . !"#$%&’(%)*)$ +,-%./’0,/" ./1 -%,)& .((*)$.-)’/ )/ ./.,&’2)$ 3."-,3.-,& -&,.-+,/-4 /01 234567，-89: ;73（ !"#$%&’"(& )* +(,-%)(’"(&$. /0-"(0" $(1 +(2-(""%-(2 ，34-(256$ 7(-,"%4-&8， 9"-:-(2 "###$% ，;5-($） < =;5-(< >< ?##.< +0).& ， *##+ ， 56 （(） ： *"*+’*")*& 72"-&.$-：<=>?@ABC@3D3? E7F@45BG75= CD4> 4 H7A> 3ECBAF45F ABD7 35 GDBI4D ?4AIB5 ?>?D7 ，45J 4FFA4?F EBA7 45J EBA7 A7=74A?@ 35F7A7=F=& K@7 4CCD3?4F3B5 BL C=>?@ABC@3D3? E7F@45BG75= 35 4547ABI3? I3B6 FA74FE75F CAB?7== ?BMDJ 7==75F34DD> IA74N F@ABMG@ F@7 IBFFD7657?N BL 4547ABI3? F7?@5BDBG> 4F DBO7A F7EC7A4FMA7 ，GA74FD> 7PF75J F@7 4CCD3?4F3B5 L37DJ= BL 4547ABI3? F7?@5BDBG>，45J A7JM?7 F@7 BC7A46 F3B54D ?B=F BL O4=F7O4F7A FA74FE75F& 85 F@3= C4C7A ，F@7 A7=74A?@ CABGA7== B5 C=>?@ABC@3D3? E7F@45B6 G75= O4= A7H37O7J ，O3F@ F@7 LB?M= B5 F@73A ?MDFMA7，3=BD4F3B5，C@>=3BDBG3?4D 45J I3B?@7E3?4D ?@4A4?6 F7A=，EBD7?MD4A I3BDBG3?4D ?@4A4?F7A=，45J ?BDJ64J4CF7J E7?@453=E=& K@7 4CCD3?4F3B5 CAB=C7?F= BL C=>?@ABC@3D3? E7F@45BG75= 35 DBO6F7EC7A4FMA7 4547ABI3? F7?@5BDBG> O7A7 4D=B 454D>Q7J& 8,# 3’&1"：C=>?@ABC@3D3? E7F@45BG75=；DBO6F7EC7A4FMA7 4547ABI3? I3B6FA74FE75F；?BDJ64J4CF7J E7?@453=E；EBD7?MD4A I3BDBG3?4D F7?@5BDBG>& 的高效厌氧生物处理过程， 则可以大大拓展厌氧生 物处理技术的应用范围进而降低废水处理的成本& 同时， 地球生物圈中绝大部分 （ 约为 +RW ） 属于低温 环境， 嗜冷 产 甲 烷 菌 对 自 然 界 甲 烷 排 放 的 贡 献 最
但近几年来相关研究发展迅速， 一些嗜冷产甲烷菌 的生理生化特性得以初步认识， 其在低温厌氧自然 环境和厌氧处理构筑物中的广泛存在已得以证明， 其适冷机制及分子生物学研究也取得了一定成果& :9 嗜冷产甲烷菌的定义及分类 嗜冷微生物是指能够在寒冷 （ # V X "# V ） 条 件下生长， 同时最适生长温度在低温范围 （ *R V 以 下） 的微生物， 可分为两类： 专性嗜冷微生物 （ =F75B6 C=>?@ABC@3D7= ）和 兼 性 嗜 冷 微 生 物（ 7MA>C=>?@AB6
AF ( ; )F 6
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’663
S+!!%. 湖， 不规则、 不动 ’4 瑞士 球状， 聚集 （ 3F 4 > (F 4 N-） S:/. 海湾， 不规则、 不动 ’4 美国 球状， 单体 （ 阿拉斯加） （ 3F 6 > 3F ’ N-） T+,$/.I 不规则、 有鞭 ’4 海峡， 毛 球状， 聚集 波罗的海 （ 3F 4 > ( N-） S:/. 海湾， 不规则、 不动 ’4 美国 球状， 单体 （ 阿拉斯加） （ 3F 4 > ’F 6 N-）
"#$%&’(+(+/ +(,1#) ［ 3( ］ 0.*$(’,, "#$%&’(2#’,.3 ［ 3’ ］ 4*,2,1.3 "#$%&’()&*+,’& ［ (’ ］ -&+.)$*,) "#$%&’(2#’,.3 ［<］ 3&*,’.3 "#$%&’()&*+,’& ［ 3? ］/） 0&-$,+& "#$%&’(+(+/ +(,1#) ［ (( ］M） &-&)5#’)#
［ ’( ］
建立了一种分类法， 认为专性嗜冷微
生物指 ! +!, 低于 34 5 、 ! -#. 低至 6 5 、 ! -/0 低于 ’6 5 的微生物； 兼性嗜冷微生物指 ! +!, 高于 34 5 、 ! -#. 低
［ ’) ］ 至 6 5 的微生物* 7+8"%9.#:+9/ 等 认为， 1+2#,/ 分
’3’)
应@ 用@ 生@ 态@ 学@ 报@ @ @ @ @ @ @
@ @ @ @ @ @ @ @ @ @ @ @ 3) 卷
［ ’， ’( ， ’) ］ !"#$%&） * 专性嗜冷微生物的最适生长温度较
温度在中温范围内 （ (6 5 ; <6 5 ） 的嗜温产甲烷菌 为耐冷产甲烷菌， 嗜冷产甲烷菌与耐冷产甲烷菌统 称为低温产甲烷菌* !" 嗜冷产甲烷菌的分离培养及其生理生化特性 对嗜冷产甲烷菌的分离培养研究起步较晚， 但 近几年来发展迅速* 3==6 年以前， 一直没有分离出
［ *］ 大 & 有 关 嗜 冷 产 甲 烷 菌 的 研 究 起 步 较 晚， 直到 ［ ") ］ "((* 年才有第 " 株嗜冷产甲烷菌得以分离培养 &
59 引9 9 言 产甲烷菌是严格厌氧的古细菌， 由其完成的产 甲烷过程通常是厌氧生物处理工艺中最重要的限速 步骤， 同时， 产甲烷过程也是自然界中自发排放温室
［ 3? ， (( ］ ’()&*+,’& 0&-$,+& ， 在日本海域中也曾检测到与
"#$%&’(+(++(,1#) 0.*$(’,, 序列相似性达 =)F )G 的产
［ ’6 ］ 甲烷菌 * 另外， 只有 "#$%&’()&*+,’& 0&-$,+& 可以利
用乙酸作为底物， 而 "#$%&’()&*+,’& -&+.)$*,) 是 "#$%/
下进行， 针对嗜温和嗜热产甲烷菌的研究较为深入& 然而， 如果能够利用嗜冷产甲烷菌实现低温条件下
（ R#,+$#(" ） & !国家自然科学基金资助项目 !!通讯作者& S6E43D：T3457& QMBU F=35G@M4& 7JM& ?5 *##,6"#6*) 收稿， *##+6#,6*) 接受&