厌氧消化中的产甲烷菌研究进展

厌氧消化中的产甲烷菌研究进展

公维佳，李文哲＊，刘建禹

（东北农业大学工程学院，黑龙江哈尔滨１５００３０）

摘要：在厌氧消化过程中，通过控制产甲烷菌的活动可显著提高厌氧消化效率。文章介绍了厌氧消化中产

甲烷菌的生理生化特征及代谢途径，综述了微量元素、硫酸盐、ｐＨ值、氧化还原电位等显著影响因子对产甲烷菌活动和甲烷产量的影响。

关键词：厌氧消化；产甲烷菌；显著影响因子中图分类号：Ｘ７０３

文献标识码：Ａ

收稿日期：２００５－１２－１２

基金项目：国家自然科学基金项目（５０３７６００９）；黑龙江省科技攻关（ＧＣ０３Ａ３０４）

作者简介：公维佳（１９８１－），女，黑龙江人，硕士研究生，研究方向为生物质能源。

＊通讯作者

目前能源与环境已成为影响人类社会可持续发展的重大问题，厌氧消化技术在能源生产和环境保护等方面具有突出的优势而倍受青睐。沼气发酵是自然界极为普遍而典型的厌氧消化反应，各种各样的有机物通过沼气发酵，不断地被分解代谢产生沼气，从而构成了自然界物质和能量循环的重要环节。厌氧消化是极为复杂的生物过程，在参与反应的众多微生物中，产甲烷菌的优劣和密度是影响厌氧消化效率和甲烷产量的重要因素，因此对产甲烷菌特征以及影响因子的研究成为重点。本文试图对这些研究进行综合性的分析总结，为今后的研究提供参考。

１产甲烷菌概述

产甲烷菌的研究开始于１８９９年，当时俄国的

微生物学家奥姆良斯基（Ｏｍｅｌｉａｎｓｋｉ）将厌氧分解纤维素的微生物分为两类，一类是产氢的细菌，后来称产氢、产乙酸菌；另一类是产甲烷菌，后来称奥氏甲烷杆菌（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｉ１１ｕｓｏｍｅｌａｕｓｋｉｉ）。１９０１年Ｓｏｈｚｇｅｎ对产甲烷菌的特征及对物质的转化进一步作了详细的研究。１９３６年Ｂａｒｋｅｒ对奥氏甲烷菌又作了分离研究。但这些研究，由于厌氧分离甲烷菌的技术尚不完备，均未取得大的进展。直到１９５０年

Ｈｕｎｇａｔｅ第一次创造了无氧分离技术才使甲烷菌的研究得到了迅速的发展［１］。

产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物厌氧消化转化成甲烷和二氧化碳的古细菌，它是严格厌氧菌，属于水生古细菌门（Ｅｕｒｙａｒｃｈａｅｏｔａ）。它们生活在各种自然环境下，如反刍动物的瘤胃、人类的消化系统、稻田、湖泊或海底沉积物、热油层和盐池，以及污泥消化和沼气反应器等人为环境中［２］。产甲烷菌是厌氧消化过程的最后一个成员，甲烷的生物合成是自然界碳素循环的关键链条。

由于产甲烷菌是严格的厌氧菌，对其研究需要较高的技术手段，所以，在２０世纪７０年代中期以前，产甲烷菌新种发现的不多，据《伯杰细菌鉴定手册》第八版记载，产甲烷菌只有一个科，即甲烷杆菌科，分三个属，有９个种。但是，随着其研究手段的飞速发展，和人们对产甲烷菌的关注，越来越多的产甲烷菌被人们发现，到目前为止，从系统发育来看，甲烷菌分成５个目，分别为甲烷杆菌目（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉａｌｅｓ）、甲烷球菌目（Ｍｅｔｈａｎｏｃｏｃｃａｌｅｓ）、甲烷八叠球菌目（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａｌｅｓ）、甲烷微菌目（Ｍｅｔｈａｎｏｍｉｃｒｏｂｉａｌｅｓ）

和甲烷超高温菌目（Ｍｅｔｈａｎｏｐ－ｙｒａｌｅｓ）

［２］

。Ｓｃｈｎｅｌｌｅｎ第一个从消化污泥中分离纯化得到甲酸甲烷杆菌（Ｍｅｔｈａｎｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｆｏｒｍｉｃｉｕｍ）和巴氏甲烷八叠球菌（Ｍｅｔｈａｎｏｓａｒｃｉｎａｂａｒｋｅｒｉ），到目前为止，分离鉴定的产甲烷菌已有２００多种［３］。

２产甲烷菌生理生化特征

在Ｈｕｎｇａｔｅ［４］厌氧分离培养纯化产甲烷菌的技

２００６年１２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２００６

文章编号

１００５－９３６９（２００６）０６－０８３８－０４

第３７卷第６期东北农业大学学报３７（６）：８３８￣８４１

术出现之后，许多微生物学家、生物化学家、污水处理专家从产甲烷菌的形状、结构、生理、生态等多方面进行了研究，从而为厌氧消化技术用于处理污水，回收能源等方面提供了坚实的理论基础。

所有的产甲烷菌都是专性严格厌氧菌，对氧非常敏感，遇氧后会立即受到抑制，不能生长繁殖，有的还会死亡［５］。产甲烷菌生长特别缓慢，在人工培养条件下，要经过十几天甚至几十天才能长出菌落；在自然条件下甚至更长。其原因在于可利用的底物很少，只能利用很简单的物质，如二氧化碳、氢、甲酸、乙酸等，这些简单的物质必须由其它发酵性细菌把复杂有机物分解后提供给产甲烷菌，因此要等到其它细菌都大量生长以后才能生长，而且产甲烷菌的世代时间相对较长［６］。

产甲烷菌与其它任何细菌相区别的主要特征还在于所有产甲烷菌的代谢产物都是甲烷、二氧化碳和水。且产甲烷菌体中有７种辅酶因子与所有微生物及动植物都不同，其细胞壁没有Ｄ－氨基酸和胞壁酸的独特结构也与其它细菌有很大区别［７－８］。这些独特的特征为产甲烷菌的鉴定及分类提供了有效的依据。

３产甲烷菌的代谢研究

产甲烷菌生活在厌氧条件下，它们通过甲烷的生物合成形成维持细胞生存所需的能量。在产甲烷菌中存在原核细胞和真核细胞所共有的糖酵解途径（ＥＭＰ）、三羧酸循环（ＴＣＡ）、氨基酸和核苷酸代谢，但一些基本所需的酶在产甲烷菌中未被确定。产甲烷菌是自养型的生物，它能利用环境中的化学能，因而产甲烷菌中发现了许多无机物进入细胞所需的通道蛋白，如Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃａ２＋等离子以及磷酸、硝酸等无机酸。产甲烷菌还具有运输乳酸、六碳三羧酸、六碳二羧酸等有机物进入细胞的转运蛋白。产甲烷菌能够吸收环境中的硫酸根，通过一系列的酶代谢最终形成硫化氢。甲烷的生物合成和氮素的固定是产甲烷菌独特的代谢过程。目前发现的甲烷生物合成过程有三种途径：以乙酸为原料的甲烷生物合成；以氢、二氧化碳为原料的甲烷生物合成；以甲基化合物为原料的甲烷生物合成。甲烷生物合成过程中，甲烷的形成伴随着细胞膜内外化学梯度的形成，这种化学梯度驱动ＡＴＰ酶产生细胞内能量通货－ＡＴＰ［３］。４产甲烷菌显著影响因子

产甲烷菌的活性受温度、ｐＨ值、有毒物质等环境因素以及Ｃ、Ｎ、Ｐ的比值以及无机元素等的影响，各因子所处条件对于产甲烷过程具有一定影响，根据前期研究结果，本文主要涉及微量元素等几种对产甲烷阶段具有重要影响的显著影响因子。４．１微量元素对产甲烷菌的影响

厌氧消化的产甲烷阶段对无机营养的缺乏十分敏感。许多废水厌氧生物处理中，均出现了出水中挥发性脂肪酸（ＶＦＡ）偏高，气体产率下降的现象。起初人们认为是毒性物质抑制作用或是缺乏Ｎ、Ｐ营养。但后来许多实验证明，极易生物降解的ＶＦＡ，在厌氧出水中之所以浓度偏高，不是毒性物质的抑制作用，也不是缺乏Ｎ、Ｐ营养，而是缺乏微量营养元素［９］。

Ｔａｋａｓｈｉｍａ和Ｓｐｅｅｃｅ［１０］发现微量金属元素的氯化物与无机营养液中其它物质混合后加入反应器内，当生物停留时间ＳＲＴ为２０ｄ时，只能达到很低的乙酸利用率：４￣８ｋｇ・ｍ－３・ｄ－１；但如果微量金属元素的氯化物直接加入反应器内，则当生物停留时间ＳＲＴ为５ｄ时乙酸利用率即可高达３０ｋｇ・ｍ－３・ｄ－１。因而，微量金属元素的加入方式也对产甲烷菌优势菌种变化产生很大影响。另外，李亚新等［１１］发现微量金属元素对毒性物质具有拮抗作用，从而缓解毒性物质对产甲烷菌的限制作用。

因而微量金属元素的加入能使反应器内甲烷菌的优势菌种发生变化，使乙酸利用率提高数倍。但微量元素需直接加入反应器，从而保证甲烷菌的充分利用。微量金属营养元素能对毒性物质产生强烈的拮抗作用。在厌氧消化过程中补充微量金属元素是提高厌氧消化过程效率和稳定性的重要途径［１２－１３］。

４．２硫酸盐对产甲烷菌的影响

厌氧处理中，硫酸盐还原细菌以氢、乙酸、乳酸等为电子供体、以ＳＯ４２－为末端电子受体，将其还原为Ｓ２－的厌氧反应称其为硫酸盐还原作用。由于硫酸盐还原细菌和产甲烷细菌都可利用这些基质，而且硫化物对产甲烷细菌具有毒害作用［１４］。普遍认为，硫酸盐还原作用影响产甲烷作用的进行。然而，各研究者的结论不尽相同，包括对于硫酸盐对产甲烷菌的致害浓度存在较大争议。Ｋａｒｈａｄｋａｒ等［１５］

公维佳等：厌氧消化中的产甲烷菌研究进展

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