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蒙杰，王敦球
(廣西桂林工學(xué)院資源與環(huán)境工程系，桂林 541004)
摘要：詳細(xì)分析沼氣發(fā)酵的基本機(jī)理及其主要微生物菌群，論述沼氣發(fā)酵過(guò)程中微生物菌群對(duì)產(chǎn)沼氣的影響，并指出水解性細(xì)菌、纖維素分解菌、白腐菌等對(duì)提高沼氣產(chǎn)率具有不可忽視的作用，對(duì)開(kāi)發(fā)研制新型高效沼氣促進(jìn)劑具有指導(dǎo)意義。
沼氣是一種可再生能源，它可以作為農(nóng)村炊事、照明等生活用能，是農(nóng)村實(shí)現(xiàn)燃?xì)饣囊粭l有效途徑。
沼氣與養(yǎng)殖、種植相結(jié)合進(jìn)行綜合利用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)，以沼氣為紐帶開(kāi)展多項(xiàng)功能的綜合利用，多梯級(jí)、多層次、良性循環(huán)利用的生態(tài)農(nóng)業(yè)在綠色農(nóng)業(yè)中占有舉足輕重的地位。同時(shí)，為了更好地
發(fā)揮以沼氣為紐帶的生態(tài)農(nóng)業(yè)的作用，促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展，提高沼氣池的產(chǎn)沼氣率具有重要意義。
沼氣發(fā)酵的影響因素有很多，比如發(fā)酵溫度、pH值、微生物種群以及物料預(yù)處理情況等。沼氣發(fā)酵是沼氣微生物在厭氣條件下分解有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生甲烷和二氧化碳的過(guò)程。在這一過(guò)程中，非產(chǎn)甲烷細(xì)菌與產(chǎn)甲烷細(xì)菌聯(lián)合作用，發(fā)酵的效率與這兩大類(lèi)群微生物之間能否協(xié)調(diào)生長(zhǎng)直接相關(guān)。在厭氧系統(tǒng)中，存在著種類(lèi)繁多，關(guān)系復(fù)雜的微生物區(qū)系。甲烷的產(chǎn)生是這個(gè)微生物區(qū)系各種微生物相互平衡、協(xié)同作用的結(jié)果。因此，研究發(fā)酵過(guò)程中微生物生理群的變化及其所引起的物質(zhì)轉(zhuǎn)化對(duì)產(chǎn)氣效率的影響，對(duì)于有效地控制發(fā)酵過(guò)程，提高產(chǎn)氣效率具有重要的意義。
1沼氣發(fā)酵的基本機(jī)理和微生物群
1.1沼氣發(fā)酵的基本機(jī)理
沼氣發(fā)酵是由多種產(chǎn)甲烷細(xì)菌和非產(chǎn)甲烷細(xì)菌混合共同發(fā)酵完成的。沼氣發(fā)酵的第一階段由厭氧和兼性厭氧的水解性細(xì)菌或發(fā)酵性細(xì)菌將纖維素、淀粉等水解成單糖，并進(jìn)一步形成丙酮；將蛋白質(zhì)水解成氨基酸，并進(jìn)一步形成有機(jī)酸的氨；將脂類(lèi)水解為甘油和脂肪酸，進(jìn)一步形成丙酸、乙酸、丁酸、乙醇等。第二階段由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌群利用第一階段產(chǎn)生的有機(jī)酸，氧化分解成乙酸和分子氫；第三階段由嚴(yán)格厭氧的產(chǎn)甲烷細(xì)菌群(methangens)完成。在這個(gè)龐雜的混合發(fā)酵體系中，非產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供生長(zhǎng)和產(chǎn)甲烷所需的基質(zhì)，創(chuàng)造適宜的氧化還原條件，并清除有毒物質(zhì)；產(chǎn)甲烷細(xì)菌為非產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生化反應(yīng)解除反饋抑制，創(chuàng)造熱力學(xué)上的有利條件；并且兩類(lèi)菌共同維持環(huán)境中適宜的pH值。產(chǎn)甲烷細(xì)菌和非產(chǎn)甲烷細(xì)菌間通過(guò)互營(yíng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)甲烷的高效形成。
1.2發(fā)酵過(guò)程的主要微生物
整個(gè)厭氧消化過(guò)程是一個(gè)產(chǎn)甲烷細(xì)菌和非產(chǎn)甲烷細(xì)菌相互作用，相互制約的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。用于厭氧消化的原料幾乎都是不溶性有機(jī)大分子的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)等，只有通過(guò)水解酶把它們分解成較小的分子后才能被產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用，最終產(chǎn)生甲烷。
水解過(guò)程通常較緩慢，因此是含高分子有機(jī)物或懸浮物廢液厭氧降解的限速階段。影響水解速度與水解程度的因素很多。胞外酶能否有效接觸到底物是影響水解速率的關(guān)鍵。因此大顆粒比小顆粒底物降解要緩慢得多。許多微生物可以產(chǎn)生胞外酶，其中主要的水解酶有脂肪酶、蛋白酶和纖維素酶等。它們的作用是將復(fù)雜的大分子水解為可被微生物同化的單體。在有機(jī)聚合物占多數(shù)的廢物厭氧生物處理中，水解作用是整個(gè)過(guò)程的限速步驟。
近10年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌包括互營(yíng)單胞菌屬、互營(yíng)桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等。這類(lèi)細(xì)菌能把各種揮發(fā)性脂肪酸降解為乙酸和H2。利用乙酸的產(chǎn)甲烷細(xì)菌有索氏甲烷絲菌和巴氏甲烷八疊球菌，兩者的生長(zhǎng)速率差別較大。在一般的厭氧反應(yīng)器中，約70%的甲烷由乙酸分解而來(lái)，30%由氫氣還原二氧化碳而來(lái)。在厭氧反應(yīng)器中，甲烷產(chǎn)量的70%是由乙酸歧化菌產(chǎn)生的。在反應(yīng)中，乙酸中的羧基從乙酸分子中分離，甲基最終轉(zhuǎn)化為甲烷，羧基轉(zhuǎn)化為二氧化碳。
2非產(chǎn)甲烷細(xì)菌與產(chǎn)甲烷細(xì)菌之間的相互關(guān)系
厭氧發(fā)酵過(guò)程實(shí)際上是由各種微生物所進(jìn)行的一系列生物化學(xué)的偶聯(lián)反應(yīng)，而產(chǎn)甲烷細(xì)菌則是厭氧生物鏈上的最后一個(gè)成員。厭氧微生物的相互關(guān)系包括：非產(chǎn)甲烷細(xì)菌與產(chǎn)甲烷細(xì)菌的相互關(guān)系；非產(chǎn)甲烷細(xì)菌之間的相互關(guān)系；產(chǎn)甲烷細(xì)菌之間的相互關(guān)系。以上第一種關(guān)系最為重要，在厭氧處理系統(tǒng)中，非產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌相互依賴(lài)，互為對(duì)方創(chuàng)造良好的環(huán)境和條件，構(gòu)成互生關(guān)系；同時(shí)，雙方又互為制約，在厭氧生物處理系統(tǒng)中處于平衡狀態(tài)。
研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵的整個(gè)過(guò)程中，大體上可分為發(fā)酵啟動(dòng)期、盛產(chǎn)氣期和持續(xù)產(chǎn)氣期三個(gè)階段。啟動(dòng)階段初期，好氧細(xì)菌是引起有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的主要類(lèi)群，而利用葡萄糖的好氧產(chǎn)酸菌又是好氧細(xì)菌中的優(yōu)勢(shì)類(lèi)群。到產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)甲烷細(xì)菌與厭氧氨化細(xì)菌和厭氧產(chǎn)酸細(xì)菌的菌數(shù)都達(dá)到最高值。產(chǎn)氣高峰過(guò)后，由于易分解性基質(zhì)的消耗，厭氧氨化細(xì)菌和厭氧產(chǎn)酸細(xì)菌開(kāi)始下降，而產(chǎn)甲烷細(xì)菌基本上維持最高菌數(shù)。
由此可以說(shuō)明，高峰迅速下降的原因與厭氧氨化細(xì)菌和厭氧產(chǎn)酸細(xì)菌的迅速下降有關(guān)。看來(lái)三者維持在高菌數(shù)時(shí)，產(chǎn)氣效率最高。而三者中任何一生理群菌數(shù)過(guò)高或過(guò)低，即三者相對(duì)比例失調(diào)，則產(chǎn)氣效率降低。所以厭氧產(chǎn)酸下降、厭氧氨化下降、產(chǎn)甲烷細(xì)菌的迅速增殖以及三大生理群細(xì)菌的協(xié)調(diào)生長(zhǎng)，是維持盛產(chǎn)氣期的重要條件。在持續(xù)產(chǎn)氣期，厭氣纖維分解細(xì)菌是這一時(shí)期菌數(shù)繼續(xù)上升的唯一微生物生理群。
這一時(shí)期產(chǎn)生甲烷的前體物質(zhì)主要來(lái)自纖維素的分解。
3幾種重要微生物類(lèi)群對(duì)產(chǎn)沼氣的影響
3.1水解細(xì)菌
在一個(gè)能夠正常進(jìn)行發(fā)酵的沼氣池中，非產(chǎn)甲烷細(xì)菌對(duì)有機(jī)物分解利用的速度決定了產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)甲烷的速度。為了進(jìn)一步提高沼氣產(chǎn)量，重要的不是產(chǎn)甲烷細(xì)菌的繼續(xù)富集，而是提高非產(chǎn)甲烷細(xì)菌對(duì)有機(jī)物的水解速度，尤其是對(duì)纖維素的分解速度。因此，為沼氣池提供水解微生物的優(yōu)勢(shì)菌群，改善非產(chǎn)甲烷細(xì)菌的代謝功能，是提高有機(jī)物分解利用率和沼氣產(chǎn)量的一項(xiàng)重要措施。
為了提高沼氣池發(fā)酵原料的分解利用率和產(chǎn)氣量，國(guó)內(nèi)外都十分注重在沼氣池內(nèi)保持較多的產(chǎn)甲烷細(xì)菌群(厭氧污泥)。除了應(yīng)采取上述措施外，為沼氣池提供水解細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)菌群，改善非產(chǎn)甲烷細(xì)菌的代謝功能，使有機(jī)物得到更徹底的分解，是提高沼氣池產(chǎn)氣量的重要途徑。對(duì)于處理固形物含量較高的、含較多較難分解的有機(jī)物的沼氣發(fā)酵原料，采取這一措施顯得尤為重要。
研究發(fā)現(xiàn)，在豬糞和雞糞的厭氧消化過(guò)程中，各種水解酶(蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶和淀粉酶等)的酶活與沼氣產(chǎn)量成正比關(guān)系，水解酶活均出現(xiàn)在產(chǎn)氣峰值的附近，并且水解酶活與沼氣產(chǎn)量的變化曲線(xiàn)相似，這一結(jié)果在國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。另有研究表明，適量添加水解酶能加快發(fā)酵原料中纖維素的降解速度，明顯提高沼氣產(chǎn)量。
3.2秸稈預(yù)處理有效菌
天然狀態(tài)下的秸稈由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及部分蛋白質(zhì)、氨基酸、單寧等組成。由于天然木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化的難點(diǎn)在于如何高效將它降解成為可發(fā)酵糖。結(jié)合預(yù)處理方法消除
木質(zhì)素的阻礙作用，是提高纖維素被纖維素酶水解的有效步驟。將纖維素酶的產(chǎn)生、纖維素的水解及酒精發(fā)酵過(guò)程有效組合，可提高生物轉(zhuǎn)化效率降低轉(zhuǎn)化成本。大家知道，麥秸、稻草、玉米稈等植物性原
料表皮上都有一層蠟質(zhì)，如果不作處理就下池，水分不易通過(guò)蠟質(zhì)層進(jìn)入秸稈內(nèi)部，纖維素很難腐爛分解，不能被甲烷細(xì)菌利用，而且會(huì)造成浮料或結(jié)殼現(xiàn)象。目前對(duì)農(nóng)作物秸稈的利用還未達(dá)到令人滿(mǎn)意的水平，其主要原因是缺乏對(duì)農(nóng)作物秸稈這種天然纖維素完全降解的高活性菌株。為了加快原料的發(fā)酵分解，提高產(chǎn)氣量，必須對(duì)作物秸稈等原料做好預(yù)處理。對(duì)纖維素、木質(zhì)素降解能力較強(qiáng)的有白腐菌和纖維素分解菌。木質(zhì)素的生物降解就是利用微生物所產(chǎn)生的胞外酶(主要是木質(zhì)素氧化酶系，對(duì)木質(zhì)素有較強(qiáng)的催化氧化作用)作用于木質(zhì)素并使其逐步分解轉(zhuǎn)化的過(guò)程。
由于微生物的木質(zhì)纖維素降解能力較弱，導(dǎo)致農(nóng)作物秸稈的水解過(guò)程緩慢，水解程度低，使農(nóng)作物秸稈的厭氧消化時(shí)間長(zhǎng)、消化率低、產(chǎn)氣量少、投入產(chǎn)出效益差，因而限制了秸稈大規(guī)模地應(yīng)用于厭氧發(fā)酵。
因此，研究如何通過(guò)預(yù)處理使作物秸稈中的木質(zhì)纖維素得到有效降解成為秸稈生物處理的一個(gè)關(guān)鍵。
3.2.1纖維素分解菌 纖維素的分解是厭氧消化的重要一步，對(duì)消化速度起著制約的作用。而纖維素分解菌是參與纖維素分解的主要細(xì)菌。
自然狀態(tài)下，纖維素的徹底降解是在微生物體系中多種微生物長(zhǎng)時(shí)間相互作用的結(jié)果，這一過(guò)程僅靠一種微生物是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。這是由于分解纖維素的酶是由多種組分組成的酶體系。因此，在進(jìn)行纖維素大分子降解的研究過(guò)程中要考慮到微生物的產(chǎn)酶體系之間的協(xié)同效應(yīng)。多菌株混合培養(yǎng)，產(chǎn)酶具有多樣性，彌補(bǔ)了單個(gè)菌株產(chǎn)酶單一的缺點(diǎn)，對(duì)稻草秸稈的利用更完全。混合菌將可以大大促進(jìn)纖維素類(lèi)物質(zhì)的分解。
3.2.2白腐菌 對(duì)來(lái)自于植物中的物料，其生物降解性取決于纖維素和半纖維素被木質(zhì)素包裹的程度。
木質(zhì)素是由苯丙烷結(jié)構(gòu)單體組成的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的天然高分子化合物，在細(xì)胞壁中起加固作用，把纖維素和半纖維素粘結(jié)起來(lái)。木質(zhì)素不能水解為單糖。木質(zhì)素的存在阻礙了纖維素和半纖維素對(duì)酶的可及性，并且，木質(zhì)素不可逆地結(jié)合水解酶，使得水解速度降低。木質(zhì)生物資源的結(jié)構(gòu)(纖維素結(jié)晶度、聚合度及表面積)和化學(xué)組成(半纖維素及木質(zhì)素含量)影響纖維素底物對(duì)纖維素酶的敏感度，對(duì)酶水解造成障礙，致使天然形態(tài)的木質(zhì)生物資源的酶解率小于20%。因此，必須對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，將纖維素、半纖維素和木質(zhì)素進(jìn)行分離，打破纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高纖維素對(duì)酶的可及性，使纖維素酶滲透進(jìn)纖維素，從而有效地酶解纖維素。
白腐菌是降解木質(zhì)素能力最強(qiáng)的微生物。利用白腐菌處理秸稈主要是由于其在生長(zhǎng)活動(dòng)過(guò)程中能分泌多種酶，這些降解酶主要是木質(zhì)素降解酶，其次是纖維素降解酶及半纖維素降解酶，以降解細(xì)胞壁物質(zhì)中的木質(zhì)素、纖維素及半纖維素。由于不同的生理要求，不同白腐菌對(duì)木質(zhì)素的降解具有選擇性。孟慶翔等研究也發(fā)現(xiàn)，同一白腐真菌對(duì)不同底物(小麥秸、稻草秸和玉米秸)木質(zhì)素、半纖維素降解也明顯不同。所以，預(yù)處理時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的堆肥物料選擇合適的菌種。
研究結(jié)果表明，利用白腐菌對(duì)玉米秸稈進(jìn)行生物降解預(yù)處理，在固液比例為1：9，添加0.1%碳源和0.2%氮源的條件下，能大幅度提高木質(zhì)纖維素的降解率，并獲得COD值在10000mg/L以上的降解液。
4結(jié)論
厭氧生物降解過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，各種微生物活動(dòng)不僅相互作用、相互依賴(lài)，又互為制約，影響著厭氧的主要最終產(chǎn)物甲烷的產(chǎn)量。充分認(rèn)識(shí)微生物在沼氣發(fā)酵中的作用和影響，對(duì)研制新型高效沼氣促進(jìn)劑具有指導(dǎo)意義。除此以外，影響產(chǎn)沼氣的因素還有：溫度、pH值、氧化還原電位、基質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)比例、基質(zhì)微生物比(COD/VSS)、毒性物質(zhì)和微量元素等。
沼氣是伴隨著有機(jī)物在厭氧的條件下通過(guò)微生物的代謝活動(dòng)被穩(wěn)定化而產(chǎn)生的，有機(jī)物厭氧發(fā)酵的每一個(gè)階段均有獨(dú)特的微生物類(lèi)群在起作用。因此，可以通過(guò)添加某種菌群或混合菌，不斷的對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的大量細(xì)菌、原生動(dòng)物及真菌進(jìn)行調(diào)控，改善和促進(jìn)各個(gè)階段的獨(dú)特微生物類(lèi)群的活性，使其在較短時(shí)間內(nèi)大量繁殖，加快有機(jī)物穩(wěn)定化的進(jìn)度，最終以達(dá)到縮短發(fā)酵時(shí)間，增加厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率的目的，從理論上來(lái)說(shuō)是可行的。 |
