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甲烷细菌与沼气发酵

在自然界中的湖泊、池塘、河流、沼泽地,常常看到有许多气泡从底部淤泥中冒出水面,如果把这些气体收集起来可以点燃,这种气体称沼气。因为沼气最早从沼泽地发现而得名。

沼气是宝贵的生物能源,可以人为产生,对解决能源和环境保护有突出重要意义。沼气是多种气体的混合气体,包括甲烷占60%~70%,CO2占30%~35%,H2S、N2、H2和NH3这些气体含量微小,约占沼气的5%左右。在沼气中CH4含量50%以上就可燃烧。沼气是来自有机物质的分解,但有机物质的分解不一定都能产生沼气。沼气是在特定的厌氧条件,同时又不存在硝酸盐、硫酸盐和日光的环境中形成的。形成沼气的过程叫沼气发酵。在沼气发酵过程中二氧化碳为碳素氧化的终产物,甲烷为碳素还原的终产物。在沼气发酵过程中参与甲烷形成的细菌统称为甲烷细菌。

(一)甲烷细菌的特性

1.是专性严格厌氧菌

甲烷细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。

2.生长繁殖特别缓慢

甲烷细菌生长很缓慢,在人工培养条件下需经过十几天甚至几十天才能长出菌落。据麦卡蒂(McCarty)介绍,有的甲烷细菌需要培养七八十天才能长出菌落,在自然条件下甚至更长。菌落也相当小,特别是甲烷八叠球菌菌落更小,如果不仔细观察很容易遗漏。菌落一般圆形、透明、边缘整齐,在荧光显微镜下发出强的荧光。甲烷细菌生长缓慢的原因,是它可利用的底物很少,只能利用很简单的物质,如CO2、H2、甲酸、乙酸和甲基胺等。这些简单物质必须由其它发酵性细菌,把复杂有机物分解后提供给甲烷细菌,所以甲烷细菌一定要等到其它细菌都大量生长后才能生长。同时甲烷细菌世代时间也长,有的细菌20分钟繁殖一代,甲烷细菌需几天乃至几十天才能繁殖一代。

3.都是原核生物

能形成甲烷的细菌都是原核生物,目前尚未发现真核生物能形成甲烷。甲烷细菌有球形、杆形、螺旋形,有的呈八叠球状,还有的能联成长链状。

4.培养分离比较困难

因为甲烷细菌要求严格厌氧条件,一般培养方法很难达到厌氧,培养分离往往失败。又因为甲烷细菌和伴生菌生活在一起,菌体大小形态都十分相似,在一般光学显微镜下不好判明。美国著名微生物学家Hungate于20世纪50年代培养分离甲烷细菌获得成功。以后世界上有很多研究者对甲烷细菌进行了培养分离工作,并对Hungate分离方法进行了改良,能很容易地把甲烷细菌培养分离出来。

甲烷细菌在自然界中分布极为广泛,在与氧气隔绝的环境都有甲烷细菌生长,海底沉积物,河湖淤泥,沼泽地,水稻田以及人和动物的肠道,反刍动物瘤胃,甚至在植物体内都有甲烷细菌存在。

沼气发酵液中甲烷细菌的数量可用MPN法计数,测定接种的试管中有无甲烷存在,作为计数的数量指标。甲烷细菌数量与甲烷含量成正比,发酵装置运行越好,甲烷细菌数量越多。作者曾于1991年计数了东北制药总厂用UASB(上流式厌氧污泥床)处理制药废水消化液中甲烷细菌数量为4.2×105个·ml-1。

另一方面产甲烷细菌利用乙酸、氢和二氧化碳合成甲烷,也消耗了酸和二氧化碳,甲烷细菌及其伴生菌共同作用使pH稳定在一个适宜范围内,不会使发酵液中的pH出现对沼气发酵不利的情况。但当发酵条件控制不好,如温度,进料负荷,原料中的C、N比和pH等可能会出现酸化或液料过碱;前者较为多见,这样会严重影响甲烷细菌的活动,甚至使发酵中断。

(二)沼气发酵

在自然界中绿色植物经光合作用合成碳水化合物,主要形成糖、淀粉、纤维素等。纤维素合成的数量最大,贮量也最多,是地球上很难被微生物分解的物质。在好氧条件下,纤维素可被少数微生物氧化分解,最终产生CO2和H2O。目前所知绿色木霉是分解纤维素最强的微生物。在厌氧条件下,纤维素经厌氧微生物发酵作用最终产生CH4。

在自然界形成甲烷的地方主要有沼泽地、水稻田、井地、河湖淤泥及反刍动物瘤胃。反刍动物瘤胃具有产甲烷的良好条件,所以瘤胃被称为产甲烷的天然高效能的连续发酵罐。

1.甲烷形成的微生物学过程

从有机物质厌氧发酵到形成甲烷,是非常复杂的过程,不是一种细菌所能完成的,是由很多细菌参与联合作用的结果。

(1)联合作用从有机物到甲烷形成,是由很多细菌联合作用的结果。甲烷细菌在合成的最后阶段起作用。它利用伴生菌所提供的代谢产物H2、CO2等合成甲烷。

(2)种间H2的转移作用在沼气发酵过程中,产酸菌、伴生菌发酵有机物产H2,H2又被甲烷细菌用于还原CO2合成CH4。伴生菌和甲烷细菌在发酵过程中形成了共生关系,S-菌系分解乙醇产H2,H2对它继续分解乙醇有阻抑作用,而MOH-菌系可利用H2,这样又为S-菌系清除了阻抑,两者在一起生活互惠互利,单独存在都生活不了。

(3)由乙酸产生甲烷乙酸是有机物在厌氧发酵过程中主要中间代谢产物,也是形成甲烷的重要中间产物。McCarty实验证明,有机物发酵分解产生乙酸形成甲烷,约占甲烷总生成量的72%,由其他产物形成甲烷约占28%。由乙酸形成甲烷过程也是很复杂的,用14C示踪原子试验表明,由乙酸形成甲烷有两种途径:①由乙酸的甲基形成甲烷;②由乙酸转化为CO2和H2形成甲烷

2.沼气发酵微生物之间的生态关系

沼气发酵是一个极其复杂的生物化学过程,包括各种不同类型微生物所完成的各种代谢途径。这些微生物及其所进行的代谢都不是在孤立的环境中单独进行,而是在一个混杂的环境中相互影响。它们之间的互相作用包括有不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间的作用;不产甲烷细菌之间的作用和甲烷细菌之间的作用。

在沼气发酵过程中,不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间,相互依赖,互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境条件,但它们之间又互相制约,在发酵过程中总处于平衡状态。它们之间的主要关系表现在下列几方面:

①不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质

不产甲烷细菌可把各种复杂的有机物,如碳水化合物、脂肪、蛋白质等厌氧分解生成H2、CO2、NH3、VFA、甲醇、丙酸、丁酸等,丙酸、丁酸还可被氢细菌和乙酸细菌分解转化成H2、CO2和乙酸,为甲烷细菌提供了合成细胞质和形成甲烷的碳前体,电子供体──氢供体和氮源,使甲烷细菌利用这些物质最终形成甲烷。

②不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位条件

在沼气发酵初期,由于加料过程中使空气带入发酵装置,液体原料里也有溶解氧,这显然对甲烷细菌是很有害的。氧的去除需要依赖不产甲烷细菌的氧化能力把氧用掉。因此,降低了氧化还原电位。在发酵装置中,各种厌氧性微生物如纤维素分解菌、硫酸盐还原细菌、硝酸盐还原细菌、产氨细菌、产乙酸细菌等,对氧化还原电位的适应性也各不相同,通过这些细菌有顺序地交替生长活动,使发酵液料中氧化还原电位不断下降,逐步为甲烷细菌的生长创造了适宜的氧化还原电位条件,使甲烷细菌能很好的生长。

③不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有害物质

以工业废水或废弃物为发酵原料时,原料里可能含酚类、氰化物、苯甲酸、长链脂肪酸和一些重金属离子等。这些物质对甲烷细菌是有毒害作用的,但不产甲烷细菌中有许多种能裂解苯环,有些细菌还能以氰化物作碳源和能源,也有的细菌能分解长链脂肪酸生成乙酸。这些作用不仅解除了对甲烷细菌的毒害,而且又给甲烷细菌提供了养料。此外有些不产甲烷细菌的代谢产物硫化氢,可以和一些重金属离子作用,生成不溶性的金属硫化物,从而解除了一些重金属离子的毒害作用。

④产甲烷细菌又为不产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制

不产甲烷细菌的发酵产物可以抑制产氢细菌的继续产氢,酸的积累可以抑制产酸细菌的继续产酸。当厌氧消化器中乙酸浓度超过3×10-3时,就会产生酸化,使厌氧消化不能很好的进行下去,会使沼气发酵失败。要维持良好的厌氧消化效果,乙酸浓度在0.3×10-3左右较好。在正常沼气发酵工程系统中,产甲烷细菌能连续不断地利用不产甲烷细菌产生的氢、乙酸、CO2等合成甲烷,不致有氢和酸的积累,因此解除了不产甲烷细菌产生的反馈抑制,使不产甲烷细菌就能继续正常生活,又为甲烷细菌提供了合成甲烷的碳前体。

⑤不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH

在沼气发酵初期,不产甲烷细菌首先降解原料中的糖类、淀粉等产生大量的有机酸、CO2,CO2又能部分溶于水形成碳酸,使发酵液料中pH明显下降。但是不产甲烷细菌类群中还有一类细菌叫氨化细菌,能迅速分解蛋白质产生氨,氨可中和部分酸。

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