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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)酵過程中微生物菌群對產(chǎn)沼氣的影響，并指出水解性細(xì)菌、纖維素分解菌、白腐菌等對提高沼氣產(chǎn)率具有不可忽視的作用，對開發(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，以沼氣為紐帶開展多項功能的綜合利用，多梯級、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，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程。在這一過程中，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群微生物之間能否協(xié)調(diào)生長直接相關(guān)。在厭氧系統(tǒng)中，存在著種類繁多，關(guān)系復(fù)雜的微生物區(qū)系。甲烷的產(chǎn)生是這個微生物區(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)酵過程中微生物生理群的變化及其所引起的物質(zhì)轉(zhuǎn)化對產(chǎn)氣效率的影響，對于有效地控制發(fā)酵過程，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)菌間通過互營聯(lián)合實(shí)現(xiàn)甲烷的高效形成。
1.2發(fā)酵過程的主要微生物
整個厭氧消化過程是一個產(chǎn)甲烷細(xì)菌和非產(chǎn)甲烷細(xì)菌相互作用，相互制約的動態(tài)平衡過程。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，水解作用是整個過程的限速步驟。
近10年來的研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌包括互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等。這類細(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，30%由氫氣還原二氧化碳而來。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，互為對方創(chuàng)造良好的環(huán)境和條件，構(gòu)成互生關(guān)系；同時，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)酵的整個過程中，大體上可分為發(fā)酵啟動期、盛產(chǎn)氣期和持續(xù)產(chǎn)氣期三個階段。啟動階段初期，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)勢類群。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)。看來三者維持在高菌數(shù)時，產(chǎn)氣效率最高。而三者中任何一生理群菌數(shù)過高或過低，即三者相對比例失調(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，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)菌是這一時期菌數(shù)繼續(xù)上升的唯一微生物生理群。
這一時期產(chǎn)生甲烷的前體物質(zhì)主要來自纖維素的分解。
3幾種重要微生物類群對產(chǎn)沼氣的影響
3.1水解細(xì)菌
在一個能夠正常進(jìn)行發(fā)酵的沼氣池中，非產(chǎn)甲烷細(xì)菌對有機(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)菌對有機(jī)物的水解速度，尤其是對纖維素的分解速度。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)量的變化曲線相似，這一結(jié)果在國內(nèi)外尚未見報道。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，而且會造成浮料或結(jié)殼現(xiàn)象。目前對農(nóng)作物秸稈的利用還未達(dá)到令人滿意的水平，其主要原因是缺乏對農(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，必須對作物秸稈等原料做好預(yù)處理。對纖維素、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)作物秸稈的水解過程緩慢，水解程度低，使農(nóng)作物秸稈的厭氧消化時間長、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時間相互作用的結(jié)果，這一過程僅靠一種微生物是無法實(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)了單個菌株產(chǎn)酶單一的缺點(diǎn)，對稻草秸稈的利用更完全。混合菌將可以大大促進(jìn)纖維素類物質(zhì)的分解。
3.2.2白腐菌 對來自于植物中的物料，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。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)影響纖維素底物對纖維素酶的敏感度，對酶水解造成障礙，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活動過程中能分泌多種酶，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
厭氧生物降解過程是一個極其復(fù)雜的過程，各種微生物活動不僅相互作用、相互依賴，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)識微生物在沼氣發(fā)酵中的作用和影響，對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微生物的代謝活動被穩(wěn)定化而產(chǎn)生的，有機(jī)物厭氧發(fā)酵的每一個階段均有獨(dú)特的微生物類群在起作用。因此，可以通過添加某種菌群或混合菌，不斷的對發(fā)酵過程中的大量細(xì)菌、原生動物及真菌進(jìn)行調(diào)控，改善和促進(jìn)各個階段的獨(dú)特微生物類群的活性，使其在較短時間內(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)酵時間，增加厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率的目的，從理論上來說是可行的。 |
