厌氧处理中的微生物及其相互关系

二、厌氧处理中的微生物及其相互关系

厌氧处理系统中的微生物包括不产甲烷微生物和产甲烷细菌两大类，前者包括厌氧菌和兼性厌氧菌，以及一定数量的好氧细菌，此外还有少量真菌和原生动物。厌氧发酵中可见的原生动物主要是对溶解氧要求低的微氧种类，有鞭毛虫、纤毛虫和变形虫等，但是数量不多。

参与厌氧反应的微生物主要是细菌，根据在厌氧过程中所起的作用大致可分为两大类:非产甲烷菌和产甲烷菌。这两类细菌对环境的要求存在差异，在同一厌氧环境中，它们既相互抑制又相互依赖。

1.非产甲烷菌

非产甲烷菌包括发酵细菌、产氢产乙酸细菌和同型产乙酸细菌，能将各种复杂的有机物转化为产甲烷菌能利用的乙酸、H₂和CO₂，为产甲烷菌提供生长和代谢所需的碳源和氮源。

发酵细菌包括有兼性和专性厌氧菌，其优势菌因环境条件(如水质、温度)而异。主要有梭菌属(Clostridium)、拟杆菌属(Bacteroides)、假单胞菌属(Pseudomonas)、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)、丙酸杆菌属(Propionibacterium)、真杆菌属(Eubactrium)和气杆菌属(Aerobacter)等。

C₆H₁₂O₆+2H₂O+2NAD⁺→2CH₃COO^－+2H₂+2CO₂+2NADH+3H⁺

C₆H₁₂O₆+2NADH+2 H⁺→2CH₃CH₂COO^－+2H₂O+2NAD⁺+2H⁺

C₆H₁₂O₆→CH₃CH₂CH₂COO^－+2H₂+2CO₂+H⁺

C₆H₁₂O₆+2NADH+2 H⁺→2CH₃CH₂OH+2H₂+2CO₂+2NAD⁺

产氢产乙酸细菌(H₂-producing acetogens，HPA)大多为发酵性细菌，也有专性产氢产乙酸菌;能对所有脂肪酸或醇作用生成乙酸和氢气，供产甲烷菌利用，同时产氢产乙酸细菌又依赖于产甲烷菌同化H₂释放能量供其生长所利用，二者形成共养关系。主要的产氢产乙酸细菌有:沃氏互营单胞菌(Syntrophomonas wolfei)、沃林互营杆菌(Syntrophobacter wolinii)、脱硫弧菌(Desulfovibio desulfuricans)、梭菌属(Clostridium sp.)等。

CH₃CH₂COO^－+2H₂O→2CH₃COO^－+3H₂+CO₂

CH₃CH₂CH₂COO^－+2H₂O→2CH₃COO^－+2H₂+H⁺

CH₃CH₂OH+H₂O→CH₃COO^－+2H₂+H⁺

同型产乙酸细菌(home-acetogens，HOMA)是有机无机混合营养型专性厌氧菌，可将CO₂或CO₃^2－还原为乙酸。主要有:伍迪乙酸杆菌(Acetobacterium woodii)、热自养梭菌(Clostridium thermoautotrophicum)、威林格乙酸杆菌(Acetobacterium wieringae)、乙酸梭菌(Clostridium aceticum)、甲酸乙酸化梭菌(Clostridium formicocaceticum)等。

CO₂+4 H₂→CH₃COO^－+H₂O+H⁺

2.产甲烷菌

产甲烷菌属严格专性厌氧菌，在分类学上属于古细菌，可根据碳源分为:氧化氢的产甲烷菌和氧化乙酸(包括甲酸)的产甲烷菌两类。常见的产甲烷菌有:甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷球菌属(Methanococcus)、甲烷螺菌属(Methanospirillum)等。

产甲烷菌在自然界分布极为广泛，在与氧气隔绝，而且无硫酸盐的环境都可能有产甲烷菌存在。厌氧反应器中产甲烷菌数量极大，其数量往往与产甲烷量成正比。

这类细菌具有特殊的产能代谢功能，可利用有机或无机物作为底物，在厌氧条件下生成甲烷。在自然界碳素循环中起着重要作用。产甲烷菌的种类较少，但有多种形态如球状、杆状、丝状、螺旋状和八叠球状等。产甲烷菌均不形成芽孢，革兰氏染色不定，有的具有鞭毛。这是一群很特殊的类群，属于古菌。产甲烷菌都是严格专性厌氧菌，对氧非常敏感，遇氧后代谢反应立即受到抑制，不能生长繁殖，最终导致死亡。另外，产甲烷菌世代长，生长缓慢，即使在人工培养条件下，也要十几小时甚至几十天才能长出菌落，有的种群十几天才繁殖一代。生长缓慢的主要原因是能利用的底物很少，只有CO₂、H₂、乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等简单物质，不能直接利用除乙酸外的二碳以上的有机物质。这些简单物质转化为甲烷所释放的能量很少，因而为生物合成所提供的能量也少。产甲烷菌对其他生态因子适应范围十分狭窄，如所有的产甲烷菌只能生活在氧化还原电位低于－300mV的环境中，pH值则要求在中性，对温度、有毒物质等都很敏感。

常见的产甲烷菌见表9-3。

表9-3　　常见的产甲烷菌

不同的产甲烷菌所需碳源是不同的。在纯培养中，几乎所有的产甲烷菌都能利用H₂和CO₂生成甲烷。在厌氧生物处理中，绝大多数产甲烷菌都能利用甲醇、甲胺、乙酸，不能直接利用除乙酸外的二碳以上有机物质。几乎所有的产甲烷菌都能利用NH⁺

4，并且需要某些维生素特别是B族维生素和微量元素如镍、钴、钼等。

一般将产甲烷菌分成3个类群:氧化氢产甲烷菌(HOM)、氧化氢利用乙酸产甲烷菌(HOAM)和非氧化氢利用乙酸产甲烷菌(NHOAM)。

在厌氧生物处理中，由于反应器内部各区域生态条件的差异，造成非产甲烷菌、产甲烷菌中各类群细菌有规律地出现演替。在非完全混合反应器中，沿水流方向优势种群的演替规律为:进水→发酵细菌、HPA、HOMA、HOM、HOAM→OHPA、HOM、HOAM→NHOAM、HOM→出水

各种群之间相互依赖，相互制约，构成一稳定的生态系统，保证了代谢过程的正常进行。

3.非产甲烷菌与产甲烷菌之间的关系

在厌氧生物处理中，污染物的去除是由众多非产甲烷菌和产甲烷菌相互平衡、协同作用的结果，厌氧生物处理工艺的生物化学和微生物学机理是极其复杂的，是包括多种微生物和一系列中间步骤的复杂过程，任何单一的一种细菌都不可能将碳水化合物、氨基酸或脂肪酸这样的基质从头至尾转化为甲烷。在厌氧反应器中，非产甲烷菌与产甲烷菌之间既相互制约，又相互依赖，双方共同维持良好的环境和条件。主要表现在如下方面:

(1)非产甲烷菌为产甲烷菌提供生长繁殖所需的底物

如前所述，厌氧条件下有机物的降解过程包括三个阶段，而由产甲烷菌完成的产甲烷阶段位于最后。在厌氧生物处理中，绝大多数产甲烷菌能利用甲醇、甲胺和乙酸等小分子有机物，但不能直接利用除乙酸以外二碳以上的有机物。非产甲烷菌中的发酵菌可将复杂有机物如高分子的碳水化合物、脂肪、蛋白质等发酵，生成H₂、CO₂、NH₃以及挥发性有机酸等，丙酸、丁酸、乙醇等又可被产氢产乙酸细菌转化生成H₂、CO₂和乙酸，为产甲烷菌提供生长所需的碳源和氮源。因此，产甲烷菌的碳源和氮源依赖于非产甲烷菌对复杂有机物的水解、发酵和产乙酸作用。

(2)非产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的氧化还原电位

产甲烷菌属严格专性厌氧菌，氧和任何形式的氧化剂都能对其生长代谢产生很强的毒性;然而进入厌氧反应器的污水难免会溶解一定量的氧或氧化剂。厌氧消化进水时会带进空气，当厌氧反应器中存在氧或氧化剂时，非产甲烷菌中的一些兼性菌能利用氧或氧化剂，将其消耗掉，使反应器中氧化还原电位降低，厌氧微生物如纤维素分解菌、硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌等对氧化还原电位的要求有差异，通过这些微生物的代谢活动，可将系统内的氧化还原电位逐渐降低，最终为产甲烷菌生长提供适宜的氧化还原电位环境。

(3)非产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质

产甲烷菌对有毒物质敏感。厌氧处理的一些工业废水中常含有一些能使产甲烷菌中毒的物质，如酚、氰化物、苯甲酸、长链脂肪酸和重金属离子等，然而非产甲烷菌中有的种类能裂解苯环，或以氰化物为碳源和能源，不但解除了毒害作用，还为其提供了底物。代谢产物硫化氢可与一些重金属离子生成不溶性的金属硫化物沉淀，从而使产甲烷菌免受这些有毒物质的影响。

(4)产甲烷菌为非产甲烷菌的生化反应解除反馈抑制

非产甲烷菌的产酸发酵过程能产生H₂、CO₂和乙酸等抑制其自身活性的物质。然而，在正常的厌氧反应器中，产甲烷菌能连续利用这些物质生成CH₄，不会因氢和酸的累积而产生反馈抑制作用，使其代谢能正常进行。

(5)非产甲烷菌和产甲烷菌共同维持适宜的pH值环境

在沼气发酵的早期，非产甲烷菌首先降解废水中的有机物质，产生大量的有机酸和碳酸盐，使发酵液中pH值明显下降。同时非产甲烷菌类群中还有一类氨化细菌，能迅速分解蛋白质产生氨。氨可中和部分酸，起到一定的缓冲作用。在厌氧反应器中，各种非产甲烷菌和产甲烷菌的连锁反应对稳定反应器中的pH值很重要，一旦某一反应环节受到抑制或处于不利状态，将会导致pH值的变化，从而影响厌氧生物处理的顺利进行。例如:非产甲烷菌在沼气发酵初期对有机物的水解和发酵作用能产生大量的有机酸和碳酸盐，它们在发酵液中的累积能使pH值下降，而产甲烷菌能连续地将其消耗，使pH值稳定在一个适宜的范围。但如果厌氧反应条件控制不当，如进水负荷过高、C/N失调引起产甲烷菌活性受到抑制，可导致有机酸累积pH值下降，形成厌氧反应器的酸化。