微生物与沼气发酵

微生物与沼气发酵
摘要：本文介绍了沼气发酵的相关内容，主要描述参与沼气发酵过程的微生物，通过对微生物较为详细的介绍来体现它们在沼气发酵中的重要性，以及对废物资源的再利用，从而达到保护环境、优化产业结构的效果。

前言：资源、环境、人口、粮食是21世纪人类所面临的四大难题。

随着社会的发展各种自然资源趋于衰竭，环境也日益恶化，如何开发新能源来解决能源危机并保护生态环境成为世界关注的问题之一。

随着科学的发展，微生物的开发利用已经显露出极大的优势，利用微生物生产能源、处理环境污染物已取得了很大的成绩，沼气发酵就是微生物开发利用的方式之一。

1.沼气发酵
1．1沼气的概念
沼气是有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用生成的一种可燃性混合气体，其主要成分是CH4和CO2，通常情况下，CH4约占60%左右，CO2约占40%左右，此外还有少量氢、氮气、一氧化碳、硫化氢和氨等。

沼气发酵广泛存在于自然界，如湖泊或沼泽中常常可以看到有气泡从污泥中冒
出，将这些气体收集起来便可以点燃，所以叫它沼气。

1．2什么是沼气发酵
沼气发酵又称厌氧消化，是指各种有机物在厌氧条件下，被各类沼气发酵微生物分解转化，最终生成沼气的过程。

地球上由于光合作用生成的有机物每年大约为4000亿吨，其中大约有5%在厌氧条件下被微生物分解掉。

人们利用这一自然规律进行沼气发酵，参与沼气发酵活动的微生物有以下五大类群：（1）发酵性细菌；（2）产氢产乙酸细菌；（3）耗氢产乙酸细菌；（4）食氢产甲烷菌；（5）食乙酸产甲烷菌。

各种复杂有机物，无论是固体或是溶解状态，都可以经微生物的发酵作用而最终生成沼气。

1．3沼气发酵的优势
既可生产沼气用作能源，又可处理有机废物以保护环境，经沼气发酵后的沼渣、沼液又是优质的有机肥料。

沼气发酵是综合利用有机废物，保护生态环境，促进农业生产可持续发展的重要措施之一。

沼气燃烧后生成的二氧化碳，又可被植物吸收，通过光合作再生成有机物，因而沼气又是一种可再生能源。

2．沼气发酵过程的产酸阶段
在沼气发酵过程中，五群细菌构成一条食物链，从各种细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液pH值的影响来
看，可分为产酸阶段与产甲烷阶段。

前三群菌的活动可使有机物形成各种有机酸。

现分别加以叙述。

2．1发酵性细菌
用作沼气发酵原料的有机物种类繁多，如禽畜粪便、作物秸秆、食品加工废物和废水以及酒精废醪等，其主要化学成分为多糖、蛋白质和脂类。

其中多糖类物质又是发酵原料的主要成分，它在水中不能溶解必须首先被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性的糖、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能被微生物所吸收利用。

发酵性细菌将上述可溶性物质吸收进入细胞后，经发酵作用将它们转化为乙酸、丙酸，丁酸等脂肪酸和醇类及一定量的氢、二氧化碳。

参与水解发酵过程的发酵性细菌种类繁多，已研究过的就有几百种，包括梭状芽孢杆菌、拟杆菌、丁酸弧菌、乳酸菌、双歧杆菌和螺旋体等属的细菌。

我国已分离到的有乳酸链球菌、粪链球菌、乳酸杆菌、嗜热双歧杆菌、产气梭状芽孢杆菌、产琥珀酸梭菌、北京丙酸杆菌和产氢螺旋体等，这些细菌多数为厌氧菌，也有兼性厌氧菌。

在沼气发酵中，发酵性细菌的数量可采用MPN法以葡萄糖为底物进行测定，根据它们是否产生有机酸儿确定每毫升发酵液内细菌数量的多少。

由于发酵性细菌在复杂有机物发酵是都产生有机酸和氢，因而有人称它们为产酸产氢酶。

在厌氧活性污泥中，发酵性细菌的数量可达108~1010个/ml 。

2．2产氢产乙酸菌
发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸和醇类，除甲酸、乙酸和甲醇外，均不能被产甲烷菌所利用，必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳。

其主要反应过程举例如下：
丙酸CH3CH2COOH+2H2O→CH3COOH+CO2+3H2 +76.1 kJ 丁酸CH3CH2 CH2COOH+2H2O→2CH3COOH +2H2 +48.1 kJ
乙醇CH3CH2OH+ H2O→CH3COOH +2H2 +9.6 kJ
乳酸CH3CHOHCOOH+H2O→CH3COOH+CO2+2H2 －4.2 kJ
经研究证明，上述反应过程除乳酸菌降解外，在标准状况下不但不能产生能量，反而要消耗能量，因而反应不能进行，丙酸、丁酸等长链有机酸则不能降解。

只有当利用氢的产甲烷菌等和产氢产乙酸菌生活在一起时，将所产生的氢利用掉，使环境条件维持极低的氢分压时，上述反应才能进行。

在沼气发酵过程中，氢分压的高低对有机物降解的影响称为厌氧降解中氢的调节作用。

氢的调节作用不仅影响产氢产乙酸菌的活动，同时也影响发酵性细菌代谢产物的形成，当环境中分压高时，则会更多地产生丁酸和丙酸，环境中氢分压低时则主要形成乙酸和氢及二氧化碳。

2．3耗氢产乙酸菌
耗氢产乙酸菌也称同型乙酸菌，这是一类既能自养生活又能异养生活的混合营养型细菌。

它们既能利用H2+CO2 生成乙酸，也能代谢糖类产生乙酸。

这些菌在沼气发酵过程中的重要性还未被广泛研究，有人估计这些菌形成的乙酸在中温消化器中占1﹪~4﹪，在高温消化器中占3﹪~4﹪。

已分离到的耗氢产乙酸菌有伍德乙酸杆菌、威林格乙酸杆菌、嗜热自养梭菌等多种。

这些菌在厌氧消化中的作用在于增加了形成甲烷的直接前体物质——乙酸，同时由于它们在代谢H2+CO2时要消耗氢，而在分解有机物时又不产生氢，因而在保持厌氧消化系统中较低的氢分压方面起一定作用。

耗氢产乙酸菌在自然界中分布广泛，它们能转变多种有机物为乙酸。

据估计，地球上每年由CO2固定形成的生物质大约为150亿吨，其中约10﹪在厌氧条件下降解生成甲烷和CO2，而70%的甲烷来自乙酸。

尽管如此大量的乙酸形成并不仅仅是耗氢产乙酸菌所推动，还有其它类型细菌参与，但它们在厌氧消化中的地位不可忽视。

通过上述三种微生物的活动，各种复杂有机物可生成有机酸和H2/CO2等，而生成有机酸的种类与沼气发酵过程中氢的调节作用有关。

氢分压低时，三群菌的活动结果主要是生成乙酸；氢分压高时，除积累乙酸外还会有丙酸、丁酸等较长链的有机酸生成。

因此，通过有机酸成分含量的测定，可以知道厌氧消化过程的进行是否正常。

3．沼气发酵过程的产甲烷阶段
3．1产甲烷菌的生理特征
在沼气发酵过程中，甲烷的形成是由一群生理上高度专化的古细菌——产甲烷菌所引起的，产甲烷菌包括食氢甲烷菌和食乙酸产甲烷菌，它们是厌氧消化过程食物链中的最后一组成员，尽管它们具有各种各样的形态，但它们在食物链中的地位使它们具有共同的生理特征。

它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢终产物，在没有外援受氢体的情况下，把乙酸和H2/ CO2转化为气体产物——CH4/CO2，使有机物在厌氧条件下的分解作用得以顺利完成。

3．1．1产甲烷菌的生长要求严格厌氧环境
产甲烷菌广泛存在于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中。

由于产甲烷菌对氧高度敏感，使其成为难于研究的细菌之一。

例如，甲烷八叠球菌暴露于空气中时会很快死亡，其数量半衰期仅为4min。

经测定，环境中的氧化还原电位高于－0.33V时，产甲烷菌则不能生长。

饱和了空气的水氧还原电位为+0.80V，水中的氧浓度每降低10倍，氧化还原电位降低0.015V，也就是说饱和了空气的水中的氧浓度要降低1075倍时产甲烷菌才能生长，这时每升水中的氧含量为1.48×10-55个氧分子。

要人工获得这样低的氧浓度是相当困难的，只是在享盖特厌氧微生物培养技术发展起来以后
（1969年），才使产甲烷菌的研究较为容易进行。

然而在自然生态环境中或厌氧消化器中，由于产甲烷菌和前述产酸细菌共同生活在一起，特别是发酵性细菌的代谢活动，不仅可将氧气消耗殆尽，并且可产生大量还原物质，使环境氧化还原电位下降，为产甲烷菌的生长繁殖创造了条件。

所以在厌氧消化生态系中，产酸菌既能为产甲烷菌制造了食物，又创造了生活条件；而产甲烷菌则将产酸菌的代谢终产物——乙酸及H2/CO2加以清除，保证了产酸菌代谢路线的畅通。

在厌氧污泥的微生态颗粒中，产甲烷菌生存于颗粒内，处于产酸菌及胶体物质的包围之中，因而容易得到低氧化还原电位的保护。

3．1．2产甲烷菌食物简单
产甲烷菌只能代谢少数几种碳素底物生成甲烷，其主要反应及生成1mol甲烷的自由能如下：
H2/ CO2：4 H2+CO2→CH4+2 H2O －135kJ 甲酸：4 HCOOH→CH4+3 CO2+2 H2O －145kJ 甲醇：4 CH3OH→3 CH4+CO2+2 H2O －105kJ 乙酸：CH3COOH→CH4+ CO2 －31kJ 除上述4种基质外，有的产甲烷菌可代谢甲胺、二甲胺和三甲胺生成甲烷。

利用放射性同位素标记的底物研究表明，在厌氧消化器中70%以上的甲烷是由乙酸裂解形成的，而其余的大多数来自H2对CO2的还原。

因此，乙酸是厌氧
消化器中最重要的产甲烷前体物质，无论中温消化器或是高温消化器均是如此。

所有产甲烷菌均以NH4+作为主要氮素来源，它们利用有机氮源的能力很弱。

所有产甲烷菌的生长需要微量的镍、钴、钼和铁，实验表明这些元素的加入可有效地提高产甲烷活性。

这些元素氏构成甲烷菌特有辅酶的重要成分。

3．1．3产甲烷菌适宜生长于pH值中性条件
大多数产甲烷菌生长的最适pH值在中性范围，甲酸甲烷杆菌最适生长pH值为6.6~7.8，史氏甲烷短杆菌最适pH 值为6.9~7.4，巴氏甲烷八叠球菌最适pH值为6.7~7.2，索氏甲烷丝菌最适pH值为7.4~7.8。

但也有个别种类可在pH值为4.0或pH值为9.2条件下生长。

在厌氧消化器里，当pH 值低于5.5时沼气发酵会完全停止。

3．1．4产甲烷菌生长缓慢
在生物界微生物是繁殖最快的生物，如大肠杆菌在最适条件下繁殖一代只要17min，乳酸链球菌繁殖一代的时间为26min。

但由于产甲烷菌“吃”的是产酸菌代谢的废物，如乙酸、甲酸、H2/CO2等结构简单含能量少的物质，又生活于严格厌氧条件下，所以生长繁殖缓慢。

例如可以利用乙酸、甲醇、H2/CO2的梅氏甲烷八叠球菌，在以甲醇为底物时繁殖一代的时间为8h，以乙酸为底物时为17h。

巴氏甲烷八叠球菌为24.1h，最适生长温度为60℃的嗜热甲烷丝菌为
24~26h，索氏甲烷丝菌则为3.4d。

由于产甲烷菌繁殖缓慢，给沼气发酵带来很多困难和问题。

3．2产甲烷菌的类群
迄今为止已分离到近70种产甲烷菌，分属于3目、7科、19属，我国已分离到近20种产甲烷菌。

根据它们所利用的主要产甲烷底物的不同，可分为食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大类群。

食氢产甲烷菌包括甲烷杆菌目和甲烷球菌目的全部及甲烷微菌目的大部分种，它们均能以H2/CO2为底物生成甲烷，并且大部分种可以利用甲酸生成甲烷，如瘤胃甲烷短杆菌、沃尔塔甲烷球菌和享氏甲烷螺菌等。

食乙酸产甲烷菌只有甲烷八叠球菌和甲烷丝菌或称甲烷毛发菌两属，甲烷八叠球菌除利用乙酸外，有的种还可以利用甲醇、甲胺生成甲烷，多数种还可以利用H2/CO2生成甲烷，甲烷丝菌只能利用乙酸。

研究较多的种有巴氏甲烷八叠球菌和索氏甲烷丝菌。

在稳定运行的消化器里，这两属代谢乙酸的产甲烷菌是甲烷生成的优势菌类。

由于乙酸裂解产甲烷反应是一个产能少的反应，因而它们的生长较缓慢，甲烷八叠球菌在乙酸上生长时其倍增时间为1~2天，甲烷菌丝倍增时间为4~9天。

而70%的甲烷又是通过乙酸裂解而生成，因此在沼气发酵过程中乙酸裂解产甲烷反应往往是限速步骤，也是发酵液因酸积累而导致酸化抑制的主要原因。

此外，甲烷八叠球菌适宜生长的乙酸浓度较
高，其K m值为210~70mg/L，而甲烷丝菌适宜生长壮大乙酸浓度较低，其K m值为4.9mg/L。

因此，在厌氧消化器的启动阶段或超负荷运行时，发酵液内乙酸浓度较高，此时甲烷八叠球菌较多见。

当消化器进入稳定运行状态时，发酵液内乙酸浓度一般很低，因而更适合甲烷丝菌的生长，经过长期运行，甲烷丝菌则成为消化器内乙酸裂解的优势菌类。

在颗粒污泥形成过程中，也可观察到类似情况。

上述内容可以看出，产甲烷阶段是由甲烷菌来完成。

产甲烷菌在产生甲烷的同时又降低了氢分压，并清除了乙酸，使厌氧环境保持中性。

因而产甲烷菌的活动对氢分压及环境pH值的调节起着决定性作用。

4．小结
4．1沼气发酵的产物
有机废物经过上述两个阶段的微生物分解作用，最终生成了以CH4和CO2为主要成分的气体及水，只有小部分难以降解的物质和新生长出的微生物细胞以厌氧消化污泥的形式残存，使大部分有机物经厌氧消化而去除，生成的CH4经燃烧或经大气中紫外线照射而氧化为CO2和H2O。

有机物厌氧消化最终被分解为基本上无害的气体和水，使废物无害化。

在环境保护方面，这样的处理废物过程或结果，称为稳定废物或称废物的稳定化，表示使废物转化成不再污染环境
的稳定状态。

这也是厌氧消化一词当初由来的原因，它强调有机物经厌氧消化而稳定化的环境效果，而沼气发酵一词则强调有机物经厌氧消化而产生沼气。

4．2沼气发酵的意义
随着世界人口的增多和经济的发展，人们在从事农业栽培的同时往往追求获得高产，而土壤中的无机元素如N、P、K等，被植物大量吸收而得不到相应补充，于是人们连年大量施用化肥，这就造成土壤板结，弄产品质量恶化，产量逐年下降。

按照生态学原理，则应求助于微生物，沼气池则是培养微生物的场所。

将畜禽粪便、作物桔梗等有机废物投入沼气池内，微生物就会将有机物分解为二氧化碳和N、P、K 等无机养分，发酵中还可以生成氨基酸、维生素及生长素类物质，并且还可产生沼气。

沼渣、沼液是富含营养成分的有机肥料，将它们施入土壤，则可补充土壤养分之不足，使作物生长旺盛；此外，沼液还可用于养鱼、养猪，沼渣也可加工成为再生饲料。

这样一来，不但对禽畜粪便和各类废物实现了资源化和多层次利用，制取了优质燃料及有机肥，并可生产绿色安全食品，又解决了环境和土壤的污染问题，发展优化生产结构的产业，是一举多得的方法。

相信随着技术的进步，沼气产业将在更多的地方得到推广，并取得更加显著的成绩。

参考文献：
1．葛诚微生物肥料的研究、生产应用的几个问题。

微生物学通报
2．彭景勋小康型沼气池北京：中国农业出版社
3．邵希豪等中国沼气
4．王静土壤微生物在现代农业中的重要地位北京：中国农业科技出版社
5．苑瑞华主编沼气生态农业技术北京：中国农业出版社
6．周孟津主编沼气生产利用技术北京：中国农业大学出版社
7．赵一章主编产甲烷细菌及利用方法成都：成都科技大学出版社。