产甲烷菌在厌氧消化中的应用研究进展

林代炎1,林新坚2,杨　菁1,叶美锋1

(1.福建省农业科学院农业工程技术研究所,福建　福州　350003;2.福建省农业科学院土壤肥料研究所,福建　福州　350013)

收稿日期:2007-07-26初稿;2007-12-21修改稿

作者简介:林代炎(1963-),男,研究员,主要从事有机废弃物农业资源化利用研究(E 2mail :lindaiyan @1261com )。基金项目:福建省环保专项基金(1576);福建省财政专项(STIF -Y01)

摘　要:简述了产甲烷菌研究史,分析了厌氧消化领域研究进展以及产甲烷菌代谢机理和生理生化特征的关系。关键词:厌氧消化;产甲烷菌;厌氧反应器中图分类号:X 703

文献标识码:A

Advance in utilization of methanobacteria for anaerobic digestion studies

L IN Dai 2yan 1,L IN Xin 2jian 2,YAN G Jing 1,YE Mei 2feng 1

(1.A ricultural Engi neering I nstit ute ,Fuj ian A cadem y of A g ricultural S ciences ,Fuz hou ,Fuj ian 350003,China;2.S oil and Fertilizer I nstitute ,Fuj ian A cadem y of A g ricultural

Sciences ,Fuz hou ,Fuj ian 350013,China )

Abstract :This article briefly introduces the progress in using methanobacteria for anaerobic digestion studies.It al 2so analyzes the relationship between the research development in anaerobic digestion and the metabolic mechanism and the physiological and biochemical characteristics of methanobacteria.K ey w ords :anaerobic digestion ;methanogens bacteria ;anaerobic reactor

随着人们认识到厌氧发酵技术在污水处理及生产沼气能源等方面的突出优势,对产甲烷菌在厌氧

消化中的研究也越来越重视。厌氧发酵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、密度以及它的生长环境条件是影响厌氧消化效率和甲烷产量的重要因素,因此,对产甲烷菌的代谢机理及生理生化特征,以及在厌氧消化过程中为产甲烷菌创造有利环境条件方面的研究成为该领域的重点。本文简述了产甲烷菌的研究历史,并分析了厌氧消化系统应用领域研究的快速发展与产甲烷菌代谢机理、生理生化特征研究进展的密切关系,望能为产甲烷菌在污水处理工程中发挥更大作用提供参考。

1　产甲烷菌研究历史

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,后来称为产氢、产乙酸菌,另一类是产甲烷菌,后来称奥氏甲烷杆菌(Met hanobacill us omel auskii )。由于研究条件的限

制,1950年,Hungate 创造了无氧分离技术才使产甲烷菌的研究得到了迅速的发展[1-2]。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,据《伯杰细菌鉴定手册》第8版记载,到20世纪70年代中期,产甲烷菌只有1个科(甲烷杆菌科),分3个属、9个种。随着研究手段的发展以及人们对产甲烷菌的关注,据杨秀山等1991年报道,美国奥斯冈(Oregon )产甲烷菌保藏中心当时收藏的产甲烷菌有215株分属于3目、6科、55种,可能是当时最完备的目录[3]。从系统发育

来看,到目前为止,产甲烷菌分成5个目,分别为甲烷杆菌目(Met hanohacteri ales )、甲烷球菌目(Met hanococcales )、甲烷八叠球菌目(M et hano 2

sarci nales )、甲烷微菌目(M et hanomicrobi ales )

和甲烷超高温菌目(Met hanop y rales )[4],分离鉴定的产甲烷菌已有200多种[5]。

在产甲烷菌分类方面,随着分子生物学的发展,人们利用不同物种间small 2subunit ribosomal RNA 的同源性进行分类取得了较为满意的结果;1996年伊利诺伊大学完成了第1个产甲烷菌

福建农业学报23(1):106～110,2008

Fuj ian J ournal of A g ricultural Sciences

文章编号:1008-0384(2008)01-0106-05

Met hanococcus j annaschii 的基因组测序,迄今为

止已有4个目的5种产甲烷菌完成基因组测序[5]。在产甲烷菌代谢方面,已明确它是自养型微生物,能利用环境中的化学能,并发现甲烷生物合成过程的3种途径[1];在产甲烷菌必需营养方面,发现产甲烷菌不仅需C 、N 、P 等营养元素,同时,还需要矿物质营养元素,如K +、Na +、Ca 2+、Co 2+、Cl -、Fe 2+、Fe 3+等[5],同时,已对产甲烷菌的生理生化特征进行深入研究,明确了它合适的生长环境条件,为工程应用提供了依据。

在Hungate [1]分离培养纯化产甲烷菌的技术出现之后,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、生化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。

2　产甲烷菌的代谢机理及生理生化

特征

其中以;以-7];以甲基化合物为原料的甲烷生物合成不足10%。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A TP 酶产生细胞内能量通货———A TP 。一般1种产甲烷菌只具有1种甲烷合成途径,而多细胞结构的甲烷八叠球菌同时含有3种甲烷合成途径,且至少可以利用9种甲烷合成的底物[2]。产甲烷菌只能利用简单的小分子物质,世代时间相对较长[8]。产甲烷菌与其他任何细菌相区别的主要特征在于产甲烷菌的代谢产物都是甲烷、二氧化碳和水,且其中有7种辅酶因子与所有微生物及动植物都不同,细胞壁没有D 2氨基酸,胞壁酸的独特结构也与其他细菌有很大区别[9-10]。这些特征为产甲烷菌的鉴定及分类提供了有效的依据。

对产甲烷菌生物生化特征的研究,明确了产甲烷菌生长环境对环境条件的要求。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[11]。氧化还原电位是衡量厌氧程度的指标,张无敌认为在高温沼气发酵条件下,适宜的氧化还原电位为-600～-560mV ;中温和自然温度条件下适宜的氧化还原电位为-350～-300mV [12]。一般认为厌氧消化在5～83℃温度范围内进行,产气量随温度变化

并有两个高峰:中温35℃和相对高温55℃[13]

。沼气发酵微生物最适宜的p H 值为615～715,超出这一范围,沼气微生物的代谢将减慢或产甲烷细菌受抑制或死亡。沼气发酵过程是有机物彻底矿化的

微生物厌氧代谢过程,一般对有机物碳、氮、磷要求的比例为75∶5∶1[12]。

3　产甲烷菌在厌氧消化中的应用

311　厌氧消化工艺流程

研究发现,产甲烷菌在污水中可利用的底物很少,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他发酵性细菌把复杂有机物分解后提供给产甲烷菌,因此要等到其他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[8],因此,提出厌氧消化的两阶段理论。Chosh 于20世纪70年代在厌氧消化的两阶段理论基础上,提出两相生物系统(Two 2p hase Biosystem ,或称两相厌氧消化系统),并开展相关研究认为,在稳态条件下,两相厌氧工艺比一相厌氧工艺在处理效率、处理能力及运行稳定性等方面优越。一方面是由于相分离为不同的微生物提供了各自适宜的生存条件,另一方面,独立控制的产酸相也起到了预处理和缓冲负荷及水质波动的作用[14-16]。在不同的研究中,产酸相的酸化特征作为衡量产酸相运行状态的参数受到学者们的重视。因此,目前在厌氧消化工艺中,为了提高厌氧消化系统的酸化效果,都将酸化调节池与厌氧消化池分开。管运涛等在传统的两相厌氧生物反应器的产酸相和产甲烷相之间加入了膜分离单元,认为能有效提高污水有机物的酸化率,并提高系统的产气率和产甲烷反应器比产甲烷率[17-19]。此外,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[2]。因此在收集与利用之前,还必须对甲烷进行脱硫处理,以免产生SO 2等不良气体,造成环境污染。312　厌氧反应器设计原理

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率及甲烷产量的重要因素,因此,减少产甲烷菌的流失及为产甲烷菌创造合适的生长环境,以提高产甲烷菌密度,成了厌氧反应器的设计目标。不同产甲烷菌在合成甲烷时,利用的底物不同,如嗜热甲酸甲烷杆菌,能利用H 2/CO 2和甲酸盐合成甲烷,不能利用乙酸盐、二甲胺和甲醇产甲烷[20-21]。目前所知,只有甲烷丝菌和甲烷八叠球

01第1期

菌能裂解乙酸产生甲烷[22],而在有机物厌氧消化的甲烷化作用下,70%以上的甲烷来自乙酸的裂解[6-7]。因此,人们认为甲烷丝菌和甲烷八叠球菌在厌氧消化产甲烷系统中起着极其重要的作用,并认为前者具有低的底物生长率(即高的底物亲和性),后者具有高的底物生长率(即低的底物亲和性)[7,23],李亚新等研究认为甲烷八叠球菌对基质代谢能力强,当乙酸浓度大于300mg?L-1时,对基质的利用速率是甲烷丝菌的3～5倍[24]。杨秀山等研究发现,甲烷八叠球菌以3种形式存在于消化器内。1种是在具滤膜或填充物的消化器内以多细胞沉聚在一起;第2种是以大小不等的包囊存在于絮状污泥中与甲烷丝菌混在一起或附着在颗粒污泥上;第3种是以颗粒状保留在消化器内。人们为提高厌氧反应器内产甲烷菌密度,在消化器内填加附着物(如A F),使消化器中的生物量形成较大的絮状污泥和进一步使生物量形成颗粒污泥,以保留甲烷八叠球菌于消化器内[25];采用三相分离器,借助颗粒污泥重力沉降作用,保留活性污泥的数量(如UASB);内循环厌氧反应器[26],一方面提高了消化器高度,提高污泥沉降分层效果,并在消化器内自下而上利用三相分离器,分成第一反应室和第二反应室,使颗粒污泥中甲烷八叠球菌在底层第一反应室新进的高乙酸浓度污水中得到积累,使絮状污泥中甲烷丝菌在中层第二反应室由第一反应室处理后的低乙酸浓度污水中得到积累。使每一步分别适合于甲烷八叠球菌和甲烷丝菌的生长代谢,比UASB消化器进一步提高污水厌氧处理效率。这些在工程上成功应用的厌氧反应器能有效减少污水流动过程产甲烷菌的流失,提高厌氧反应器内产甲烷菌的密度,并为产甲烷菌创造更合适的生长环境。313　厌氧消化工艺调试原理

31311　接种产甲烷菌　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。因此,一般新建的沼气池在进料前,都采用接种正常厌氧发酵的活性污泥或沼液以缩短产甲烷菌培养生长时间,且厌氧反应器的启动快慢很大程度上决定于接种污泥的性质。一般用处理同样性质废水的厌氧反应器污泥作种泥是最有利的[27]。同时,由于产甲烷菌只能利用很简单的物质,如二氧化碳、氢、甲酸、乙酸等,因此,在酸化调节过程中,为了提高污水中有机物的降解效果,更好地为产甲烷菌提供甲烷合成底物,有人开展纤维素分解菌的筛选[28],促进纤维素分解,提高沼气产气率[29],以水解酶提高猪粪沼气发酵产气率等研究[30]。

31312　调节消化污水的营养物质平衡　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。产甲烷菌是自养型的生物,能利用环境中的化学能,因而在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。因此,产甲烷菌生长的世代时间与环境中营养物质浓度有关,营养平衡也很重要,细胞的生长和维持需要一定数量的养分,营养不足使甲烷菌生长世代时间变长,甚至停止;基质代谢速率也受营养条件的限制,但有些养分过量会抑制产甲烷菌生长。Speece认为甲烷菌对有毒物质的反应同样也受营养条件的限制,营养充足与否会减弱或加强有毒物质对甲烷菌的影响,并认为由于对甲烷菌营养需要认识不足,已经阻碍了厌氧生物技术的应用和发展[31]。据报道,向厌氧反应器中补充甲烷菌所需的微量金属营养元素可以使出水中V FA浓度降低,产气率增加,提高处理效率,增加系统稳定性,并能减少毒性物质对甲烷菌的抑制作用[32-35]。李亚新等研究认为以醋酸钙、乙醇为基质,向厌氧反应器补充Fe、Co、Ni的最佳剂量分别为10 mg?L-1?d-1、011mg?L-1?d-1和012mg?L-1?d-1[36],并认为投入微量金属元素会改变厌氧发酵器甲烷菌的优势菌种[21]。龙腾锐等研究认为,某些微量金属元素,如铁、钴、镍、铜、锌、锰、钼、钨、铬等,在低浓度时能促进厌氧反应的进行,高浓度时会产生抑制[37];张信连等研究认为,稀土元素对动物、植物及微生物均存在Hormesis“低促高抑”效应[38];夏青等研究认为La3+和Ce3+对不同V FA底物的产甲烷菌促进效应不同[39]。这些研究表明产甲烷菌生长繁殖过程,不仅需要C、N、P、K等营养物质,同时,还需要中、微量金属元素平衡供应,且不同产甲烷菌对中、微量元素的需求不同。

产甲烷菌的生长对C、N、P比例及含量也有严格要求,一般而言,C∶N∶P为75∶5∶1,如以C为COD的化学计量关系推算,则COD∶N∶P为200∶5∶1,也有人认为COD可高至300。适量的碳源对细菌的生长和活性是决定性的条件,但碳源浓度增加应有限度,超过限度微生物的生长率就会下降,这一影响通常称为基质抑制,碳水化合物基质抑制的浓度为100～150g?L-1[40]。

从污水处理的另一目标———脱氮角度看,甲烷的生物合成和氮素的固定是产甲烷菌独特的代谢过

801福建农业学报第23卷

程[41]。Kunna 认为较高的碳氮比将有利于异化性硝酸盐还原反应的发生,当进水COD/N 小于53时,反硝化最终产物以N 2为主,而COD/N 大于53时,则有较大量的氨氮合成[42]。同时,还有研究认为:以葡萄糖为碳源有利于硝酸盐还原为氨氮,而以V FA 之类的碳源则有利于进行硝酸盐反硝化为氮气的过程[43-45]。因此,还可以通过调节C 源及C/N 比例,实现脱氮的目的。31313　p H 值对产甲烷菌的影响　厌氧微生物的生命活动、物质代谢与p H 值有密切关系,p H 值的变化直接影响着消化过程和消化产物,不同的微生物要求不同的p H 值。颗粒污泥利用不同底物时的生长适应p H 范围不同,一般认为,反应器内的p H 值应保持为712～716。对于以碳水化合物为主的废水,进水碱度与COD 之比大于1∶3是必要的,但对于含量较高有机氮和硫酸盐的废水,碱度的控制方式有所不同。陆正禹等[46]研究链霉素废水的启动过程中发现,控制出水的碱度在1000mg ?L -1CaCO 3以上能成功地培养出颗粒污泥,颗粒污泥成熟以后,对进水的碱度要求并不高,可以不投或少投纯碱。适量惰性物如Ca 2+、Mg 2+和

CO 2-3、SO 2-4等离子的存在,能够促进颗粒污泥初成体的聚集和粘结。31314　毒性物质控制与菌种驯化　处理工业废水时,通常含有某种有毒有机物对产甲烷菌的生长造成毒害,致使厌氧消化失败。在厌氧处理中,硫酸盐还原细菌以氢、乙酸、乳酸等为电子供体,以

SO 2-4

为末端电子受体,将其还原为S 2-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[47],因此普遍认为,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[48]指出硫化物对产甲烷菌有抑制作用,但经过驯化,产甲烷菌可提高对硫化物的抵抗力。Parking 等[49]认为硫化氢对未经驯化的产甲烷菌的致害浓度为50mg ?L -1。Isa 等[50]的研究表明硫化物对产甲烷菌的致害浓度从未经驯化时的20mg ?L -1提高到驯化后的500mg ?L -1,这可能是由于甲烷八叠球菌基因组中含有大量表面蛋白基因,可以形成具有保护作用的荚膜,通过驯化后,能提高产甲烷菌对不良因素的抵抗能力。

3　结　语

产甲烷菌是厌氧消化过程中最后一个环节,并

在污水处理与产甲烷的过程中起着重要作用,因

此,产甲烷菌的研究成为环境微生物研究的焦点之一。从产甲烷菌代谢机理、生理生化特征及其在厌氧消化中应用研究结果分析,说明产甲烷菌在碳循环中具有独特的作用,它能使污水中无法利用的碳源转化成甲烷,既可生产清洁能源,又可实现污水中污染物减量化;同时,其代谢产物对病原菌和病虫卵具有抑制和杀伤作用,可实现农业生产、生活污水无害化,因此,产甲烷菌及其厌氧消化工艺技术在工农业生产产生的有机废水和城镇生活污水处理方面具有广阔的应用前景。参考文献:

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(责任编辑:刘新永)

011福建农业学报第23卷

污水处理厂污泥厌氧消化工艺选择与设计要点概要

污水处理厂污泥厌氧消化工艺选择与设计要点陈怡 (北京市市政工程设计研究总院 , 北京 100082 摘要以北京市小红门污水处理厂和西安市第五污水处理厂为例 , 对污水处理厂污泥厌氧消化工艺选择和设计要点进行了详细论述 , 包括污泥厌氧消化工艺选择、进泥预处理、厌氧消化池、沼气系统、上清液处理和污泥输送管路等 , 以保证污水处理厂污泥厌氧消化工艺的顺利实施。关键词污水处理厂污泥厌氧消化工艺选择污泥投配污泥搅拌沼气系统 K e y p o i n t s o f t h e p r o c e s s s e l e c t i o n a n d d e s i g n o f t h e s l u d g e a n a e r o b i c d i g e s t i o n i n w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t C h e n Y i (B e i j i n g G e n e r a l M u n i c i p a l E n g i n e e r i n g D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e , B e i j i n g 100082, C h i n a A b s t r a c t :T a k i n g t h e B e i j i n g X i a o h o n g m e n W a s t e w a t e r T r e a t m e n t P l a n t a n d X i ’ a n F i f t h W a s t e w a t e r T r e a t m e n t P l a n t a s e x a m p l e , t h i s p a p e r d e s c r i b e d t h e k e y p o i n t s o f t h e p r o c e s s s e l e c -t i o n a n d d e s i g n o f t h e s l u d g e a n a e r o b i c d i g e s t i o n i n t h e w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t , i n c l u d i n g s l u d g e a n a e r o b i c d i g e s t i o n p r o c e s s s e l e c t i o n , s l u d g e p r e -t r e a t m e n t , a n a e r o b i c d i g e s t i o n t a n k , m e t h -a n e s y s t e m , u p -l e v e l c l e a n l i q u i d t r e a t m e n t , a n d s l u d g e t r a n s m i s s i o n p i p

产甲烷菌在厌氧消化中的应用研究进展_林代炎

L IN Dai 2yan 1 , L IN Xin 2jian 2 , YAN G Jing 1 , YE Mei 2feng 1 世纪 70年代中期 ,产甲烷菌只有 1个科 (甲烷杆菌科) ,分 3个属、9个种。随着研究手段的发展以及人们对产甲烷菌的关注 ,据杨秀山等 1991年报道 ,美国奥斯冈 ( Orego n)产甲烷菌保藏中心当时收藏的产甲烷菌有 215株分属于 3目、6科、 55种 ,可能是当时最完备的目录 [ 3 ]。从系统发育来看 ,到目前为止 ,产甲烷菌分成 5个目 ,分别为关系 ,望能为产甲烷菌在污水处理工程中发挥更大 1 产甲烷菌研究历史 RNA 的同源性进行分类取得了较为满意的结果 ; 福建农业学报 23 (1) :106～110 ,2008 Fu j i an J ou rnal of A g ricult u ral S ciences 文章编号 : 1008 - 0384 ( 2008) 01 - 0106 - 05 产甲烷菌在厌氧消化中的应用研究进展林代炎1 ,林新坚2 ,杨菁1 ,叶美锋1 (1.福建省农业科学院农业工程技术研究所 ,福建福州 350003 ; 2.福建省农业科学院土壤肥料研究所 ,福建福州 350013) 摘要 :简述了产甲烷菌研究史 ,分析了厌氧消化领域研究进展以及产甲烷菌代谢机理和生理生化特征的关系。关键词 :厌氧消化 ;产甲烷菌 ;厌氧反应器中图分类号 : X 703 文献标识码 : A Advance in utilization of methanobacteria f or anaerobic digestion studies ( 1 . A ricult ural En gi neeri n g I nstit ute , Fuj i an A ca dem y of A g ricult u ral S ciences , Fuz hou , Fu j i an 350003 , Chi na; 2 . S oi l an d Ferti li z er I nstit ute , Fu j i an A ca dem y of A g ricult ural S ciences , Fuz hou , Fu j i an 350013 , Chi na) so analyzes t he relatio nship between t he research develop ment in anaerobic digestio n and t he metabolic mechanism and t he p hysiological and biochemical characteristics of met hanobacteria. Key words : anaerobic digestion ; met hanogens bacteria ; anaerobic reactor 随着人们认识到厌氧发酵技术在污水处理及生制 , 1950年 , Hungate 创造了无氧分离技术才使产产沼气能源等方面的突出优势 ,对产甲烷菌在厌氧甲烷菌的研究得到了迅速的发展 [ 1 - 2 ]。由于产甲烷消化中的研究也越来越重视。厌氧发酵是极为复杂菌是严格的厌氧菌 ,对其研究需要较高的技术手的生物过程 ,在参与反应的众多微生物中 ,产甲烷段 ,据《伯杰细菌鉴定手册》第 8版记载 ,到 20 菌的优劣、密度以及它的生长环境条件是影响厌氧消化效率和甲烷产量的重要因素 ,因此 ,对产甲烷菌的代谢机理及生理生化特征 ,以及在厌氧消化过程中为产甲烷菌创造有利环境条件方面的研究成为该领域的重点。本文简述了产甲烷菌的研究历史 , 并分析了厌氧消化系统应用领域研究的快速发展与产甲烷菌代谢机理、生理生化特征研究进展的密切甲烷杆菌目 ( M et hanohacteri ales )、甲烷球菌目作用提供参考。 s arci nales )、甲烷微菌目 ( M et hanom icrobi ales ) 和甲烷超高温菌目 ( M et hano p y rales ) [ 4 ] ,分离鉴产甲烷菌的研究开始于 1899年 ,当时俄国的定的产甲烷菌已有 200多种 [ 5 ]。微生物学家奥姆良斯基将厌氧分解纤维素的微生物在产甲烷菌分类方面 ,随着分子生物学的发分为两类 ,一类是产氢的细菌 ,后来称为产氢、产乙酸菌 ,另一类是产甲烷菌 ,后来称奥氏甲烷杆菌 ( M et hanobaci l l us omel aus ki i )。由于研究条件的限 1996年伊利诺伊大学完成了第 1个产甲烷菌收稿日期 : 2007 - 07 - 26初稿 ; 2007 - 12 - 21修改稿基金项目 :福建省环保专项基金 (1576) ;福建省财政专项 ( STIF - Y01)

产甲烷菌的研究进展

产甲烷菌的研究进展 XXX 生物工程一班生命科学学院xxx大学150080 摘要：甲烷菌是一个古老的原生菌。随亨格特（Hungate）无氧分离技术发展以来，人们对甲烷菌的研究逐渐深入。从产甲烷菌生存环境分离、筛选出新的产甲烷菌种。20世纪90年代对甲烷菌的探讨、研究比较多，近10年的研究比较少。简述了产甲烷菌的发展历史及分类。产甲烷菌是重要的环境微生物,是古细菌的一种，在自然界的破素循环中起重要作用。迄今已有种产甲烷菌基因组测序完成。基因组信息使人们对产甲烷菌的细胞结构、进化、代谢及环境适应性有了更深的理解。关键词：微生物，产甲烷菌，分类。 Research progress of methanogenic bacteria Zhengzongqiao The first class of Biotechnology, College of Life Science, Heilongjiang University, Harbin, 150080 Abstract: methanogens is an ancient native bacteria. With the Since Heng Gete (Hungate) anaerobic separation technology development, people gradually in-depth study of methanogens. Living environment separated from the methane-producing bacteria filter out new methane-producing bacteria. Of methanogens in the 1990s, research more, nearly 10 years of study is relatively small. The brief history of the development of the methanogenic bacteria and classification. Methane-producing bacteria is an important environmental microorganisms, is a kind of archaebacteria, play an important role in the hormone cycle of the nature of the broken. So far has been a kind of methane-producing bacteria genome sequencing is completed. Genomic information to make The Methanogens the cell structure, evolution, have a deeper understanding of metabolic and environmental adaptability. Keywords: microorganisms, methane-producing bacteria。 1.产甲烷菌的介绍产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物厌氧发酵转化成甲烷和二氧化碳的古细菌,它们生活在各种自然环境下,甚至在一些极端环境中。产甲烷菌是厌氧发酵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。由于产甲烷菌在有机废弃物处理、沼气发酵、动物瘤胃中有机物分解利用等过程中的重要作用,同时甲烷是导致全球变暖的第二大温室气体,因此产甲烷菌和甲烷产生机理的研究备受关注。特别是近几年对产甲烷菌基因组的研究,使人们从全基因组的角度、进化的角度对甲烷生物的合成机理、甲烷菌的生活习性、结构特点等方面获得更深刻的理解。产甲烷菌的分类：Schnellen第一个从消化污泥中分离纯化得到。19 74年Bryant首次提出了产甲烷菌(M讼tha n昭甘n)一词,将其与以甲烷为能量来源的嗜甲烷菌(MethanotrDPh,)区分开来。到目前为止,分离鉴定的产甲烷菌已有2 00多种。它们存在于沼泽、湖泊、海洋沉积物及瘤胃动物的胃液等自然生态系统中,也存在于废水处理、堆肥和污泥消化等非自然的生态系统中。从分类学上讲,产甲烷菌属于古细菌的水生古细菌门(EUrya rchaeo-ta),

城市污泥厌氧消化处理技术

城市污泥厌氧消化处理技术彭光霞李彩斌王立宁张晓慧（北京中持绿色能源环境技术有限公司北京100192）摘要：随着我国城镇污水处理厂建设的推进，城市脱水污泥的处理处置问题越来越凸显出来。目前我国多数城市污水处理厂多采用浓缩、脱水后外运填埋或作农肥。城市污泥中的生物质能没得到充分利用，造成了资源、能源的浪费。污泥厌氧消化技术作为污泥处理处置的处理工艺，可以实现减量化、稳定化、无害化和资源化，可与多种工艺相结合，为现有污水厂污泥处理处置提供了很好的方向。关键词：污泥处理处置、厌氧消化、分级分相、土地利用、资源化 1 概述污泥厌氧消化可以实现污泥处理的减量化、稳定化、无害化和资源化。污泥经厌氧消化后，体积大大减少，脱水性能大大提高，可实现污泥的减量化和稳定化；污泥在消化过程中，产生的甲烷菌具有很强的抗菌作用，可杀死大部分病原菌以及其它有害微生物，使污泥卫生化。同时，污泥厌氧消化产生大量的清洁能源--沼气，可用作锅炉燃料、直接驱动鼓风机、沼气发电提供污水处理厂的部分用电量、沼气提纯并网、沼气提纯用作汽车燃料等。 1.1 污泥厌氧处理技术原理厌氧消化是利用兼性菌和厌氧菌进行厌氧生化反应，分解污泥中有机物质的一种污泥处理工艺。消化过程中可回收能源，但消化后的污泥含水率较高，仍需进一步脱水。厌氧消化可以实现污泥处理的减量化、稳定化、无害化和资源化。污泥厌氧消化是一个由多种细菌参与的多阶段生化反应过程，每一反应阶段都以某类细菌为主，其产物供下一阶段的细菌利用。厌氧降解过程的化学、生物化学和微生物学相发复杂，但是可以综合三阶段理论[2]：1）水解阶段；2）产酸阶段；3）产甲烷阶段。

废水厌氧处理沼气产气量计算

废水厌氧处理沼气产气量计算原理一、理论产气量的计算 1.根据废水有机物化学组成计算产气量当废水中有机组分一定时，可以利用第一节中所介绍的化学经验方程式（15-1）计算产气量，对不含氮的有机物也可用以下巴斯维尔（Buswell和Mueller）通式计算: 【公式见下图】 2．根据COD与产气量关系计算在标准状态下，1mol甲烷，相当于2mol（或64g）COD，则还原1gCOD相当于生成22.4/64=0.35L甲烷。一般在厌氧条件下，每降解1kgCOD约产生2%～8%的厌氧污泥（即微生物对营养物质进行同化后残留的物质），而能量的传递效率是能量在沿食物链流动的过程中，逐级递减。若以营养级为单位，能量在相邻的两个营养级之间传递效率为10%~20%。微生物由于其生物形态结构简约，传递效率要稍高于多细胞生物为20%~30%，若以其传递效率25%计，则每1kgCOD产生2%～8%的厌氧污泥，则需要总物质的8%～32%物质用于其自身的同化作用，故1kgCOD中只有0.68～0.92kg的物质转化为甲烷，理论上在标准状态下，1mol甲烷，相当于2mol（或64g）COD，则还原1kgCOD相当于生成22.4/64=0.35m3甲烷。沼气中甲烷的含量一般占总体积的50～70%，则理论上初步计算1kgCOD产生0.34～0.644Nm3的沼气。但在厌氧消化工艺中，实际产气率受物料的性质、工艺条件以及管理技术水平等多种因素的影响，在不同的场合，实际产气率与理论值会有不同程度的差异。 ①物料的性质：就厌氧分解等当量COD的不同有机物而言，脂类（类脂物）的产气量最多，而且其中的甲烷含量也高；蛋白质所产生的沼气数量虽少，但甲烷含量高；碳水化合物所产生的沼气量少，且甲烷含量也较低；从脂肪酸厌氧消化产气情况表明，随着碳键的增加，去除单位重量有机物的产气量增加，而去除单位重量COD的产气量则下降； ②②废水COD浓度：废水的COD浓度越低，单位有机物的甲烷产率越低，主要原因是甲烷溶解于水中的量不同所致。因此，在实际工程中，高浓度有机废水的产气率

我国城市污水厂污泥厌氧消化系统的运行现状

我国城市污水厂污泥厌氧消化系统的运行现状吴　静,　姜　洁,　周红明,　毕　蕾 (清华大学环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京100084) 摘　要:　对我国400余座城市污水厂污泥处理工艺的调查表明,目前采用污泥厌氧消化工艺的仅46家,主要采用浓缩/中温厌氧/脱水工艺,采用一级厌氧消化和二级厌氧消化的厂家数量接近,其中仅25家的污泥消化系统正在运行,沼气产量约为14×104m3/d,另有6家在调试。污泥厌氧消化工艺在实际应用中仍存在着较多亟待解决的问题,沼气产率低和利用率不高大大削弱了该工艺的优势。关键词:　城市污水厂;　污泥处理;　厌氧消化;　沼气中图分类号:X703.1 文献标识码:B 文章编号:1000-4602(2008)22-0021-04 C u r r e n t O p e r a t i o nS t a t u s o f S l u d g e A n a e r o b i c D i g e s t i o n S y s t e m i n Mu n i c i p a l Wa s t e w a t e r T r e a t m e n t P l a n t s i nC h i n a WUJ i n g,　J I A N GJ i e,　Z H O UH o n g-m i n g,　B I L e i (S t a t e K e y J o i n t L a b o r a t o r y o f E n v i r o n m e n t S i m u l a t i o n a n d P o l l u t i o n C o n t r o l,T s i n g h u a U n i v e r s i t y,B e i j i n g100084,C h i n a) A b s t r a c t:　T h er e s u l t so f t h ei n v e s t i g a t i o n o n s l u d g e t r e a t m e n t s y s t e m so v e r400m u n i c i p a l w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t s i n C h i n a s h o wt h a t o n l y a b o u t46p l a n t s h a v e s l u d g e a n a e r o b i c d i g e s t i o n s y s-t e m s,m o s t o f w h i c h a d o p t t h i c k e n i n g/m e s o p h i l i c a n a e r o b i c d i g e s t i o n/d e w a t e r i n g p r o c e s s.A b o u t h a l f o f t h e p l a n t s h a v e o n e-s t a g e a n a e r o b i c d i g e s t i o n s y s t e m s a n d t h e o t h e r h a l f h a v e t w o-s t a g e a n a e r o b i c d i g e s-t i o n s y s t e m s.F o r t h e46p l a n t s,o n l y25p l a n t s o p e r a t e t h e i r a n a e r o b i c d i g e s t i o n s y s t e m s a n d p r o d u c e a- b o u t14×104m3b i o g a s/d,t h e o t h e r6p l a n t s c o m m i s s i o n t h e i r s y s t e m s.T h e r e a r e s o m e u r g e n t p r o b l e m s f o r t h e s l u d g e a n a e r o b i c d i g e s t i o n.T h e l o wb i o g a s y i e l d a n d u t i l i z a t i o n r a t e c o u n t e r a c t s o m e a d v a n t a g e s o f t h e s l u d g e a n a e r o b i c d i g e s t i o n. K e y w o r d s:　m u n i c i p a l w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t;　s l u d g e t r e a t m e n t;　a n a e r o b i c d i g e s t i o n;　 b i o g a s 随着我国国民经济的高速发展以及城市化进程的不断加快,城镇生活污水量也大幅增加,并在1999年首次超过工业废水排放量,占全国污水排放总量的52.9%[1]。近年来,城镇生活污水量以年均5%的速度递增,已成为我国水环境的主要污染源。我国城市污水处理率长期偏低,直至20世纪90年代以后,城市污水处理的基础设施建设才被提到日程,全国城市污水处理厂数量迅速增加。2006年城市生活污水处理率达到43.8%[2]。根据国家环境保护“十五”计划,到2010年所有城市的污水处理率不得低于60%,直辖市、省会城市、计划单列市和风景旅游城市的污水处理率不得低于70%。故在今后一段时期,城市污水厂数量仍将持续增加。伴随城市污水厂的兴建,大量城市污泥产生。2003年我国的城市污泥(干泥)产量估计达到160×104t。城市污泥主要由沉砂池和初沉池产生的初沉污泥(含水率为96%左右)以及好氧生物处理单元产生的剩余污泥(含水率为99.2%～99.6%)组第24卷　第22期2008年11月中国给水排水 C H I N AWA T E R＆W A S T E WA T E R V o l.24N o.22 N o v.2008

BES与氯仿对产甲烷菌的抑制分析

1.3 实验装置实验反应装置如图1 所示，主要是两个500 mL 的锥形瓶，反应器内温度采用培养箱自动控制，温度为(37±1) ℃，气体采用排水法收集。分析方法 TS 和VS:烘干法;pH 值:PHB-9901 精密 pH 计;COD:快速密闭催化消解法测定［4］;氨氮:滴定法;总碱度:滴定法;VFA 组分和气体组分:气相色谱法。 TS 和VS：烘干法；pH 值：PHB-9901 精密pH 计；COD：快速密闭催化消解法测定[5]；氨氮：滴定法；总碱度：滴定法；VFA 组分和气体组分：气相色谱法。】：[目的]研究污泥厌氧消化产挥发性脂肪酸(VFA)过程中的有机物碳流的转化机制,阐明乙酸累积机理。[方法]研究溴乙烷磺酸盐(BES)和氯仿(CHCl3)抑制模型下中间代谢产物和气体的累积,检测各产乙酸功能菌群数量,推断污泥产酸发酵过程中的有机物碳流方向和乙酸累积机理。[结果]BES模型乙酸浓度达27 mmol/L,fhs基因拷贝数比对照组高2-3倍,产氢产乙酸菌略有下降。CHCl3模型乙酸浓度达22 mmol/L,fhs基因拷贝数比BES组低一个数量级,产氢产乙酸菌下降明显。[结论]BES特异性较高,除产甲烷菌外对其他厌氧产酸细菌没有影响,乙酸浓度增加并且其主要来源于水解发酵产酸以及同型产乙酸过程。氯仿除抑制产甲烷菌外,对同型乙酸菌和产氢产乙酸菌也有强烈的抑制作用。

硫酸盐还原菌对餐厨垃圾厌氧发定向产乙酸的影响研究两种抑制产甲烷菌的方式对比：微生物学报，Acta Microbiologica Sinica，50(10):1327 －1333; 4 October 2010，《污泥厌氧消化产酸发酵过程中乙酸累积机制》通过以上研究，得到结论如下: (1)两种抑制剂造成的污泥厌氧消化产酸模型均能造成乙酸的累积，其中 BES 模型中乙酸累积浓度达25 mmol/L，CHCl3模型中，乙酸累积达 22 mmol/L。(2)在 BES 产酸模型中，食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌被抑制，H2分压和乙酸浓度增加，产氢产乙酸菌活性被抑制。同时，H2的累积刺激了同型产乙酸菌的活性。乙酸累积来自水解发酵产乙酸、同型产乙酸以及产氢产乙酸。 (3)在 CHCl3产酸模型中，产甲烷细菌受到抑制，H2分压上升，但同型产乙酸细菌和产氢产乙酸细菌也受到抑制。水解发酵产乙酸可能是乙酸的唯一来源。 CHCl3和 BES 造成了不同的抑制效应。由于 BES 是产甲烷细菌辅酶 M 的结构类似物，在适量浓度下，主要是抑制产甲烷细菌，而CHCl3是一种广谱性的微生物抑制剂，除抑制产甲烷细菌外，还可能会抑制包括产氢产乙酸细菌以及同型产乙酸细菌在内的其他微生物。因此推断，两种抑制剂造成的抑制模型是:BES 抑制产甲烷菌，造成氢气和二氧化碳以及乙酸累积，而氢气和二氧化碳的累积刺激了同型产乙酸细菌活性，消耗氢气和二氧化碳，最终的效应是只有乙酸累积，而氢气未能在体系中累积。CHCl3抑制模型中，由于 CHCl3同时也抑制了其他细菌，如同型产乙酸细菌和产氢产乙酸细菌，因此氢气未能被消耗从而在体系中累积。

浅析餐厨垃圾的处理方式及厌氧发酵产甲烷性能

浅析餐厨垃圾的处理方式及厌氧发酵产甲烷性能摘要：介绍了餐厨垃圾的特性，综述了餐厨垃圾粉碎直排法、填埋法以及生物处理方法：蚯蚓堆肥、提取生物降解性塑料、固态发酵、生物发酵制氢、好氧堆肥、厌氧发酵等。针对餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷过程，从工艺参数、工艺应用等方面阐述了国内外进展，并对餐厨垃圾厌氧发酵技术的规模化应用提出今后的研究方向。关键字：餐厨垃圾处理方式厌氧发酵甲烷 0 前言餐厨垃圾是指居民生活、食品加工、饮食服务等活动中产生的食物废料，是城市生活垃圾的重要组成部分，仅次于建筑垃圾，是第二大垃圾产生源。餐厨垃圾具有高含水率、高有机物含量，在高温条件下容易腐烂发臭，孽生蚊蝇、病菌，且不能满足垃圾焚烧发电的发热量要求(5000kJ/kg以上)。如果将其直接用作动物饲料，容易导致病菌进入人类食物链，对人体健康造成危害。因此，有关餐厨垃圾的合理利用和处理方式的研究已日益引起重视。目前餐厨垃圾主要的处理处置方法包括粉碎直排、卫生填埋、高温好氧堆肥、固态发酵、生物处理机、厌氧发酵等，其中利用餐厨垃圾作为厌氧发酵技术的原料，既可以获得清洁能源，又能减少污染物排放，是目前国内外针对大规模餐厨垃圾处理利用的主要方向。

1 餐厨垃圾的处理处置现状 1.1 粉碎直排由于厨房空间有限，因此就地减量处理是餐厨垃圾处理的基本立足点。目前一些国家普遍采用在厨房配置餐厨垃圾处理装置，将粉碎后的餐厨垃圾排人市政下水管网的方法。但餐厨垃圾粉碎直排容易产生污水和臭气，滋生病菌、蚊蝇和导致疾病传播，油污凝结成块会造成排水管堵塞，降低城市下水道的排水能力，高油脂含量等特性也增加了城市污水处理厂和垃圾填埋场负荷，同时也不可避免地产生二次污染。 1.2填埋由于餐厨垃圾中有机物可生物降解组分含量高，产气速度快且产气量较大、稳定时间短，有利于垃圾填埋场地恢复使用，且操作简便，因此填埋是目前应用比较普遍的处理方法。但厌氧分解产生的沼气和渗沥液会造成二次污染，减少符合填埋条件的土地面积，同时造成餐厨垃圾营养物质的损失，因此一些国家已禁止未经处理的餐厨垃圾进入填埋场，如韩国于2005年起所有填埋场将不再接收餐厨垃圾。1.3好氧堆肥堆肥是指在人工控制的条件下，利用微生物作用使有机固体废物稳定化的过程。堆肥能否成功的关键是微生物菌种的选择，堆肥物料C/N的调节，水分、温度、氧气与酸碱度的适当控制。餐厨垃圾有机物含量高，C/N较低、营养元素全面，非常适合用作堆肥原料。餐厨垃圾堆肥的优点是处理方法简单、堆肥产品中能保留较多的

产甲烷菌的生态多样性

《微生物学》课程论文论文题目：产甲烷杆菌的研究和其利用前景工艺学学院：生命与地理科学学院专业：生物科学班级：S10A 学号：20101911131 姓名：刘韬成绩：

目录 1 产甲烷菌的分类................................................................................................................................ - 2 - 2.产甲烷菌的生态多样性.................................................................................................................... - 2 - 3．生长繁殖特别缓慢.......................................................................................................................... - 3 - 4.产甲烷菌代谢途径............................................................................................................................ - 3 - 5.甲烷合成的途径................................................................................................................................ - 3 - 6.沼气池中产甲烷杆菌和不产甲烷菌的关系.................................................................................... - 4 - 6.1不产甲烷细菌为产甲烷菌提供生长基质和产甲烷所需的底物 ......................................... - 4 - 6.2不产甲烷细菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境................................................................. - 4 - 6.3不产甲烷细菌为产甲烷菌清除有毒物质............................................................................. - 4 - 6.4产甲烷菌为不产甲烷细菌生化反应解除反馈抑制............................................................. - 4 - 6.5共同维持沼气发酵环境中的适宜pH值............................................................................... - 5 - 6.6不产甲烷细菌构建了产甲烷菌的“古环境” ....................................................................... - 5 - 7.产甲烷杆菌的应用前景.................................................................................................................... - 5 - 7.1废水处理................................................................................................................................. - 5 - 7.2酿酒工业上的应用................................................................................................................. - 5 - 7.3产甲烷菌在煤层气开发中的应用......................................................................................... - 6 - 8. 结语................................................................................................................................................ - 6 - 参考文献................................................................................................................................................ - 6 -

厌氧微生物的培养驯化及成熟污泥的特征

厌氧微生物的培养驯化及成熟污泥的特征 The final edition was revised on December 14th, 2020.

厌氧消化系统试运行的一个主要任务是培养厌氧污泥，即消化污泥。厌氧活性污泥培养的主要目的是厌氧消化所需要的甲烷细菌和产酸菌，当两种菌种达到动态平衡时，有机质才会被不断地转换为甲烷气，即厌氧沼气。（一）培菌前的准备工作厌氧消化的启动，就是完成厌氧活性污泥的培养或甲烷菌的培养。当厌氧消化池经过满水试验和气密性试验后，便可开始甲烷菌的培养。（二）培菌方法污泥的厌氧消化中，甲烷细菌的培养与驯化方法主要有两种：和。接种污泥一般取自正在运行的厌氧处理装置，尤其是城市污水处理厂的消化污泥，当液态消化污泥运输不便时，可用污水厂经机械脱水后的干污泥。在厌氧消化污泥来源缺乏的地方，可从废坑塘中取腐化的有机底泥，或以认粪、牛粪、猪粪、酒糟或初沉池底泥代替。大型污水处理厂，若同时启动所需接种量太大，可分组分别启动。是向厌氧消化装置中投入容积为总容积的10%～30%的厌氧菌种污泥。接种污泥一般为含固率为3%～5%的湿污泥。再加入新鲜污泥至设计液面，然后通入蒸汽加热，升温速度保持1℃/h，直至达到消化温度。如污泥呈酸性，可人工加碱调整pH至～。维持消化温度，稳定一段时间（3-5d）后，污泥即可成熟。再投配新鲜污泥并转入正式运行。此法适用于小型消化池，因为对于大型消化池，要使升温速度为1℃ /h，需热量较大，锅炉供应不上。

指向厌氧消化池内逐步投入生泥，使生污泥自行逐渐转化为厌氧活性污泥的过程。该方法要使活性污泥经历一个由好氧向厌氧的转变过程，加之厌氧微生物的生长速率比好氧微生物低很多，因此培养过程很慢，一般需历时6～10个月左右，才能完成甲烷菌的培养。或者通过加热的方法加速污泥的成熟：将每日产生的新鲜污泥投入消化池，待池内的污泥量为一定数量时，通入蒸汽。升温速度控制在1℃/h。当池内温度升到预定温度时，可减少蒸汽量，保持温度不变，并逐日投加一定数量的新鲜污泥，直至达到设计液面时停止加泥。整个成熟过程一直维持恒温，成熟时间约需30～40d。污泥成熟后，即可投配新鲜污泥并转入正式运行。（三）培菌注意事项厌氧消化系统的处理主要对象是活性污泥，不存在毒性问题。但是厌氧消化菌繁殖速度太慢，为加快培养启动过程，除投入接种污泥以外，还应做好厌氧污泥的加热。厌氧消化污泥的培养，初期生污泥投加量与接种污泥的数量及培养时间有关，早期可按设计污泥量的30%～50%投加，到培养经历了60d 左右，可逐渐增加投加量。若从监测结果发现消化不正常时，应减少投泥量。厌氧消化系统处理城市污水处理厂的活性污泥，由于活性污泥中碳、氮、磷等营养是均衡的，能够适应厌氧微生物生长繁殖的需要。因此，即使在厌氧消化污泥培养的初期也不需要和处理工业废水那样，加入营养物质。

产甲烷菌

产甲烷菌胡俊英 222010328210116 动医二班摘要：产甲烷菌（Methanogenus），是专性厌氧菌，属于古菌域，广域古菌界，宽广古生菌门。1974年《伯杰氏细菌鉴定手册》（第八版）中将其归属于1科、3属、9种。截至1992年已发展为3目、7科、19属、70种。截至2009年已发展为4目、12科、31属。 1979年，Balch和Wolfe通过16S rRNA测序将产甲烷菌发展为3目（甲烷杆菌目、甲烷球菌目、甲烷微菌目）4科7属14种。 1993年，Boone将甲烷八叠球菌科上升为一个目，建立了火热产甲烷菌目，至此产甲烷菌发展为5目10科25属59种。 2001年，Bergey's Manual of Systematic Bacteriology将产甲烷菌放在宽广古生菌门（Euryarchaeota）中，至此产甲烷菌发展为3纲，5目，10科，26属，78种。产甲烷菌属于古菌域（Archaea），广域古菌界（Euryarchaeon），宽广古生菌门（Euryarchaeota）。关键词：产甲烷细菌，厌氧分离技术，产甲烷作用产甲烷菌（Methanogenus），是专性厌氧菌，属于古菌域，广域古菌界，宽广古生菌门。1974年《伯杰氏细菌鉴定手册》（第八版）中将其归属于1科、3属、9种。截至1992年已发展为3目、7科、19属、70种。截至2009年已发展为4目、12科、31属。 1979年，Balch和Wolfe通过16S rRNA测序将产甲烷菌发展为3目（甲烷杆菌目、甲烷球菌目、甲烷微菌目）4科7属14种。 1993年，Boone将甲烷八叠球菌科上升为一个目，建立了火热产甲烷菌目，至此产甲烷菌发展为5目10科25属59种。 2001年，Bergey's Manual of Systematic Bacteriology将产甲烷菌放在宽广古生菌门（Euryarchaeota）中，至此产甲烷菌发展为3纲，5目，10科，26属，78种。产甲烷菌属于古菌域（Archaea），广域古菌界（Euryarchaeon），宽广古生菌门（Euryarchaeota）。已知产甲烷细菌约有10多种，主要有产甲烷杆菌、甲烷八叠球菌、产甲烷螺菌和瘤胃甲烷杆菌等。这类细菌常见于沼泽、池溏污泥中，在食草动物的盲肠、瘤胃中也有大量的产甲烷细菌，常随粪便排出，所以在沼气池中可用塘泥和牲畜粪便接种。我国农村不少地区已建起了许多小型沼气池，利用沼气做饭、照明，既解决了燃料困难，又减少了环境污染。分布在污泥、泥沼和哺乳动物消化道等的代谢产物为甲烷（甲烷发酵）的细菌。马氏甲烷球菌（Methanococcus）、甲烷甲烷八叠球菌（Me thano-sarcina）、反刍甲烷杆菌（Methanobacterium）等都是不生孢子的专性厌氧细菌。在核蛋白体RNA碱顺序、细胞壁成分及脂质种类方面与一般细菌有不同处

污泥厌氧消化简介

简介：污泥厌氧消化是指污泥在无氧条件下，由兼性菌和厌氧细菌将污泥中的可生物降解的有机物分解成二氧化碳、甲烷和水等，使污泥得到稳定的过程，是污泥减量化、稳定化的常用手段之一。机理：污泥厌氧消化是一个多阶段的复杂过程，完成整个消化过程，需要经过三个阶段（目前公认的），即水解、酸化阶段，乙酸化阶段，甲烷化阶段。各阶段之间既相互联系又相互影响，各个阶段都有各自特色微生物群体。水解酸化阶段：一般水解过程发生在污泥厌氧消化初始阶段，污泥中的非水溶性高分子有机物，如碳水化合物、蛋白质、脂肪、纤维素等在微生物水解酶的作用下水解成溶解性的物质。水解后的物质在兼性菌和厌氧菌的作用下，转化成短链脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，还有乙醇、二氧化碳。乙酸化阶段：在该阶段主要是乙酸菌将水解酸化产物，有机物、乙醇等转变为乙酸。该过程中乙酸菌和甲烷菌是共生的。甲烷化阶段：甲烷化阶段发生在污泥厌氧消化后期，在这一过程中，甲烷菌将乙酸（CH3COOH）和H2、CO2分别转化为甲烷，如下： 2CH3COOH→2CH4↑+ 2CO2↑ 4H2+CO2→CH4+ 2H2O 在整个厌氧消化过程中，由乙酸产生的甲烷约占总量的2/3，由CO2和H2转化的甲烷约占总量的1/3。影响因素：温度：在污泥厌氧消化过程中，温度对有机物负荷和产气量有明显影响。根据微生物对温度的适应性，可将污泥厌氧消化分为中温（一般30~36℃）厌氧消化和高温（一般50~55℃）厌氧消化。研究表明，在污泥厌氧消化过程中，温度发生±3℃变化时，就会抑制污泥消化速度；温度发生±5℃变化时，就会突然停止产气，使有机酸发生大量积累而破坏厌氧消化。酸碱度：研究表明，污泥厌氧消化系统中，各种细菌在适应的酸碱度范围内，只允许在中性附件波动。微生物对pH的变化非常敏感。水解与发酵菌及产氢、产乙酸菌适应的pH范围为5.0~6.5，甲烷菌适应的pH范围为6.6~7.5。如果水解酸化和乙酸化过程的反应速度超过甲烷化过程速度，pH就会降低，从而影响产甲烷菌的生活环境，进而影响污泥厌氧消化效果，然而，由于消化液的缓冲作用，在一定范围内避免这种情况的发生。消化液是污泥厌氧消化过程血红有机物分解而产生的，其中含有除了CO2和NH3外，还有以NH4NCO3形态的NH4+，HCO3-和H2CO3形成缓冲体系，平衡小范围的酸碱波动。如下：H+ + HCO3- ═H2CO3 有毒物质浓度：在污泥厌氧消化中，每一种所谓有毒物质是具有促进还是抑制甲烷菌生长的作用，关键在于它们的毒阈浓度。低于毒阈浓度，对甲烷菌生长有促进作用；在毒阈浓度范围内，有中等抑制作用，随浓度逐渐增加，甲烷菌可被驯化；超过毒阈上限。则对微生物生长具有强烈的抑制作用。污泥厌氧消化分类：

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ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＤｅｃｅｍｂｅｒ２００６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