全 文 ：嗜酸产甲烷菌及其在厌氧处理中的应用*
郭晓慧摇 吴伟祥**摇 韩志英摇 石德智
(浙江大学环境与资源学院环境工程系, 杭州 310029)
摘摇 要摇 产甲烷菌在自然界碳素循环过程中发挥着重要作用.酸性泥炭沼泽环境中存在着多
种未知的产甲烷古菌,其中嗜酸产甲烷菌因其特殊的生长代谢特征近年来引起学者的广泛关
注.若将嗜酸产甲烷菌应用于高浓度有机废物或废水的厌氧消化过程中,可从本质上克服因
酸积累造成的产甲烷抑制,减少运行成本,扩展厌氧消化处理技术的应用范围.本文综述了嗜
酸产甲烷菌的富集分离培养方法、生理生化特性、代谢特征及相关分子生物学研究等内容,并
对其在厌氧处理中的应用前景进行了分析和展望,提出了未来研究的方向.
关键词摇 酸积累摇 嗜酸产甲烷菌摇 生理生化特性摇 厌氧处理
文章编号摇 1001-9332(2011)02-0537-06摇 中图分类号摇 Q142. 9; X172摇 文献标识码摇 A
Acidophilic methanogens and their applications in anaerobic digestion. GUO Xiao鄄hui, WU
Wei鄄xiang, HAN Zhi鄄ying, SHI De鄄zhi (Department of Environment Engineering, College of Envi鄄
ronment and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China) . 鄄Chin. J. Appl.
Ecol. ,2011,22(2): 537-542.
Abstract: Methanogens play an important role in global carbon cycle. There exists a range of un鄄
known methanogenic archaea in acidic peat lands, among which, acidophilic methanogens have at鄄
tracted increasing research interests because of their special metabolic characteristics. To introduce
acidophilic methanogens in the anaerobic digestion process of high concentration organic wastes or
waste water could essentially overcome the inhibition of acid accumulation on the methanogens and
help reduce the operation cost, broadening the industrial application of anaerobic bio鄄treatment
technology. In this paper, we reviewed the recent researches on acidophilic methanogens, with the
focus on enrichment and isolation methods, physiological and biochemical characters, metabolic
characteristics, and application of molecular biology. The potential applications of acidophilic meth鄄
anogens in anaerobic digestion process were analyzed and proposed, and the directions for further
researches were suggested.
Key words: acid accumulation; acidophilic methanogen; physiological and biochemical charac鄄
ters; anaerobic digestion.
*浙江大学鄄日本富士电机创新中心项目和国家水体污染控制与治
理科技重大专项(2008ZX07101鄄006鄄04)资助.
**通讯作者. E鄄mail: weixiang@ zju. edu. cn
2010鄄07鄄09 收稿,2010鄄11鄄18 接受.
摇 摇 产甲烷菌是类严格厌氧的古菌,由其完成的产
甲烷过程通常是厌氧生物处理工艺中最重要的限速
步骤[1] .大多数的产甲烷菌生长 pH 范围为 6郾 0 ~
8郾 0,最适生长 pH 接近 7郾 0[2] . 然而,在厌氧生物处
理尤其是高浓度有机废物处理过程中,发酵产生的
挥发性脂肪酸大量积累,极易抑制产甲烷菌的活性,
造成系统运行效率不高.在实际厌氧消化工艺中,常
通过投加大量化学碱来提高碱度以维持系统稳定,
这不仅增加了运行费用,同时人为调节而非微生物
自身代谢调节所实现的酸碱平衡易受到外界环境因
子剧变的冲击而失衡,因此对监测控制的要求较
高[3] .如果能够利用嗜酸产甲烷菌实现高浓度有机
废物的厌氧处理,则可大大降低厌氧处理的成本并
扩展厌氧处理工艺的应用范围[4] .
在自然界中,酸性泥炭沼泽地主要分布于地球
中高纬度地区,虽然仅占全球 3%的陆地面积,却拥
有全球土壤环境碳储量的 1 / 3,在全球碳循环过程
中起着重要作用[5] .特殊的酸性环境孕育了大量的
嗜酸产甲烷菌,成为该环境甲烷产生的主要贡献者.
本文主要对嗜酸产甲烷菌的富集分离培养、生理代
谢特征、 分子生物学及其在厌氧消化处理中的应用
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 2 月摇 第 22 卷摇 第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2011,22(2): 537-542
等方面的研究进展进行概述.
1摇 嗜酸产甲烷菌的界定
关于嗜酸微生物的量化分类指标至今存有争
议.狭义上,将最适生长 pH 在 3. 0 以下的微生物称
为极端嗜酸微生物,而最适生长 pH 为 3郾 0 ~ 5郾 0 的
微生物称为中度嗜酸微生物[6] . 目前研究发现的大
多数嗜酸微生物主要生长在由硫磺或其化合物产生
的特殊酸性环境中,这些环境多为地热环境或由此
起源的采矿区及与之伴生的废弃物质,主要种类有
极端嗜酸的硫氧化硫杆菌 ( Thiobacillus thiooxi鄄
dans)、中度嗜酸的铁氧化硫杆菌(Thiobacillus ferro鄄
oxidans)等[7] .相对而言,对厌氧环境中嗜酸微生物
的研究还很少.近年来,随着全球温室效应的加剧,
厌氧微生物特别是厌氧产甲烷菌在碳循环中的重要
作用研究越来越引起科学家们的关注,对于嗜酸产
甲烷菌的研究也随之增多.
鉴于目前关于嗜酸产甲烷菌的研究并未见之于
极端酸性环境,且在废物厌氧生物处理过程中 pH
也未达到极端酸性范围,从应用角度出发,本文中所
讨论的嗜酸产甲烷菌是指广义上的嗜酸微生物,即
将最适生长 pH低于 6郾 0 的产甲烷菌归为嗜酸产甲
烷菌,而将能在 pH 低于 6郾 0 条件下生长代谢并具
有产甲烷活性的产甲烷菌称为耐酸产甲烷菌.
2摇 嗜酸产甲烷菌的富集分离培养及其生理特性
前苏联科学家首先发现产甲烷微生物 Metha鄄
nobacillus在 pH 4郾 0 条件下能正常生长,但关于该
菌的后续研究未见报道[8] .嗜酸产甲烷菌富集培养
以及分离鉴定的报道集中于 2000 年以后.迄今文献
报道过的嗜酸产甲烷菌及其代谢特征见表 1.
从现有的文献来看,目前得以分离培养和命名
的嗜酸产甲烷菌种类较少,但这并不能说明其在自
然界中存在的种类少. 由于甲烷菌对环境因子和营
养基质的高度敏感性,特别是在厌氧产甲烷过程中
不同菌群间的种间互作关系,利用分离培养等传统
微生物学方法对作为严格厌氧古菌的产甲烷菌进行
研究本身存在一定困难[9],嗜酸产甲烷菌的研究还
处于起步阶段.除表 1 中所列的 5 株嗜酸产甲烷菌
外,还有一些学者在研究中得到了嗜酸产甲烷菌的
富集培养物,但往往在进一步转接纯化过程中遇到
问题.如 Willams 等[10]在明尼苏达泥炭沼泽地中分
离得到嗜酸产甲烷菌的富集培养物 O鄄1 能在 pH 低
至 3郾 0 的培养基中产甲烷,在 pH大于 5郾 3 的培养基
中有生长现象,通过间接免疫荧光技术( indirect im鄄
munofluorescence technique)分析得出该菌群与产甲
烷杆菌科具有较大的相似性;Sizova 等[11]在研究西
西伯利亚酸性泥炭沼泽地中的微生物种群结构时,
富集得到两个含有高密度嗜酸产甲烷菌的混合菌群
‘26爷和‘K爷,两者在短期试验时间内的最适生长 pH
为 4郾 9依0郾 5,通过系统发育、荧光原位杂交技术( flu鄄
orescence in situ hybridization,FISH)、 限制性片段长
度多态性技术 ( restriction fragment length polymor鄄
prisms,RFLP)的综合应用与分析,得出富集物‘26爷
中含有一种隶属于甲烷杆菌属的产甲烷古菌,‘K爷
中含有两种产甲烷古菌分别隶属于 RC1(Rice clus鄄
ter)和甲烷微菌属,但经过多种尝试都未能分离得
到相应的纯培养物.
摇 摇 表 1 所列的 5 株嗜酸产甲烷菌中,2 株分离自
厌氧消化处理反应器,另 3 株分离自位于北半球的
自然酸性沼泽地;其中 1 株是球形菌,其他 4 株为杆
状菌,但这 5 株均为氢型产甲烷菌.在中性自然环境
中,乙酸型产甲烷菌对甲烷量的贡献率约为 70% ,
氢型产甲烷菌的贡献率约为 30% ,然而,在自然酸
性泥炭沼泽环境中往往能够发现氢型产甲烷作用对
甲烷气体的产生具有相对较高的贡献率. Horn
等[12]在研究德国一个酸性贫营养沼泽地的甲烷生
成途径时,发现添加 H2 可明显促进甲烷的产生,氢
气浓度随甲烷的产生而降低,但在添加乙酸、 丙酸、
丁酸的处理中,有机酸积累而甲烷产率与未添加氢
气对照相比并未出现显著差异,得出该沼泽地生成
甲烷的方式主要是通过氢裂解途径. Galand 等[13]利
用同位素示踪技术对位于芬兰中部的 3 个不同类型
酸性泥炭沼泽地的产甲烷途径进行了研究,结果发
现在贫营养和雨养沼泽(ombrotrophic bog)中氢型产
甲烷途径的贡献远远大于乙酸型产甲烷途径. 但也
有少数不同现象,Avery 等[14]在研究位于美国密歇
根州酸性泥炭沼泽地甲烷排放规律时发现甲烷产生
率随季节性变化较大,在温度较高的 5 月和 6 月甲
烷产生量最大,乙酸发酵途径贡献率占 84% .
Kotsyurbenko等[15]在研究西西伯利亚一个贫营养沼
泽地时发现,随着 pH的降低,产甲烷的途径由乙酸
利用型向氢气利用型转变. 该研究结果进一步表明
氢型产甲烷菌更有可能具有嗜酸的生理特征. 尽管
乙酸型产甲烷菌在酸性沼泽环境中的作用目前还不
明确,但可以肯定,氢型产甲烷菌在酸性自然环境中
的作用远远大于其在中性环境中的作用.
835 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
表 1摇 分离得到的嗜酸产甲烷菌纯培养物的基本特征
Table 1摇 General characteristics of some isolated acidophilic methanogens
名称
Name
分离年份
Isolated
time
分离地点
Isolated
place
形态特征
Morphologic
characteristics
利用底物
Substrate
used
生长 pH
范 围
pH range
for growth
最适生长
pH
Optimum
pH
生长温度
Temperature
for growth
(益)
最适生长
温度
Optimum
temperature
(益)
倍增时间
Doubling
time
Methanobacterium es鄄
panolae sp. nov.
1990 加拿大某造
纸厂废水处
理污泥
单个 生 长, 杆
菌, 革 兰 氏 阳
性,长 6郾 0 滋m,
直径 0郾 8 滋m
H2 +CO2
0 ~ 25 mmol
·L-1的乙酸
促进生长
4郾 3 ~ 7郾 7 5郾 5 ~ 6郾 0 15 ~ 55 35 -
Methanobrevibacter
acididurans sp. nov.
2002 酒槽废水处
理污泥
短杆,革兰氏阳
性,直径 0郾 3 ~
0郾 5 滋m
H2 +CO2 5郾 0 ~ 7郾 5 6郾 0 25 ~ 40 35 -
Methanoregula boonei 2006 纽约 Mclean
bog泥潭沼泽
细长杆菌,长 0郾 8
~ 3郾 0 滋m,直径
0郾 2 ~0郾 3 滋m
H2 +CO2 4郾 0 ~ 5郾 8 5郾 0 10 ~ 40 37 2郾 0 d
Methanobacterium
strain
2007 西西伯利亚
泥炭沼泽地
长杆状菌,单个
或多个共生长,
不规则缠绕
H2 + CO2,甲
酸盐
3郾 8 ~ 6郾 0 5郾 5 ~ 6郾 0 5 ~ 30 25 ~ 30 -
Methanosphaerula
palustris
2008 纽约中部中
营养沼泽
球型 菌, 直 径
0郾 5 ~ 0郾 8, 对
生, 革 兰 氏 阳
性, 有 多 条 鞭
毛,发强蓝荧光
H2 + CO2,低
浓度甲酸
4郾 8 ~ 6郾 5 5郾 3 ~ 5郾 5 7 ~ 37 30 19 h
3摇 嗜酸产甲烷菌富集培养基的特点
通过分析文献中有关嗜酸产甲烷菌生长代谢所
需的适宜理化条件,可以归纳总结出嗜酸产甲烷菌
富集分离培养基所须具备的几个特点:
1) 模拟原位酸性环境的营养特征 摇 美国 Cor鄄
nell大学的 Br覿uer 等[16-18]分离得到 2 株嗜酸产甲
烷菌,在分离过程中所用的基础培养基就是模拟自
然酸性泥炭沼泽地矿物营养低的条件特征而设计的
低离子强度培养基 PM1. Sizova 等[11]通过对不同培
养基反复试验,最终利用模拟原位环境条件成功地
从泥炭藓沼泽地中富集到了 2 个嗜酸产甲烷菌群,
并分别对这 2 个嗜酸菌群进行 15 次和 20 次的转
移,对其形态、生理特性、系统发育等进行了较全面
的分析,他们所用的富集培养基的特点之一是以无
氮基质为基础培养基,每种添加成分的浓度为 1 ~
100 滋mol·L-1,总离子强度小于 5 mmol·L-1 .
2) 添加合适的抗生素摇 合适抗生素的添加可
以抑制杂菌生长,而对目的菌无抑制作用,使目的菌
在培养基上得到优势生长,从而达到富集分离的目
的. Br覿uer 等[16]以酸性沼泽土壤作为接种物,发现
与对照相比在富集培养基中添加利福平后有效促进
H2 / CO2 向甲烷转化.推测可能是因为添加利福平抑
制了乙酰化细菌的活性,从而降低了 H2 / CO2 向乙
酸转化的速率,避免了乙酸积累对氢型产甲烷的抑
制作用.利用该培养基,他们成功富集到了最适生长
pH 为 5郾 0 的 氢 型 产 甲 烷 菌 群. Cadillo鄄Quiroz
等[19-20]对分离得到的纯种 E1鄄9CT进行了详细的生
理特征研究,发现该菌具有抗性作用的抗生素有盘
尼西林、 氨苄青霉素、四环素、杆菌肽、卡那徽素
(Kanamycin)、奇霉素等,而氯霉素对该菌的生长具
有明显抑制作用. 然而,Sizova 等[11]试图通过在培
养基中添加卡那徽素的方式来分离嗜酸产甲烷纯
种,却未获成功.
3) 选择合适的还原剂和 pH 缓冲液 摇 严格厌
氧微生物的生长要求很低的氧化还原条件. 因此在
厌氧微生物培养基中常须添加一定量的还原剂. 常
用的还原剂为 1 ~ 2 mmol·L-1的 Na2S+L-半胱氨
酸鄄HCl或抗坏血酸[21] .传统厌氧培养基中一般使用
的 Na2S+L-半胱氨酸鄄HCl浓度会抑制环境中嗜酸产
甲烷菌的活性. Cadillo鄄Quiroz等[20]研究发现嗜酸产
甲烷菌 Methanosphaerula palustris gen. nov. ,sp. nov.
对 Na2S的需求很低,Na2S 浓度超过 0郾 1 mmol·L-1
就有明显的抑制效应. 嗜酸产甲烷菌的培养基中多
选择柠檬酸三价钛或三乙酸腈钛( titanium nitrilotri鄄
acetate)作为还原剂[10,16,20] . 此外,在筛选嗜酸产甲
烷菌的过程中需加 pH 缓冲液将 pH 维持在一定的
酸性水平.合适的 pH 缓冲液除须具有较强的缓冲
能力外,引入的非氢根离子不能对微生物生长代谢
产生较大的抑制作用. 在嗜酸产甲烷菌富集与分离
培养基中常用的 pH 缓冲液有磷酸盐缓冲液[10]、
HOMEPIPES[ homopiperazine鄄N, N忆鄄bis鄄2 ( ethanesul鄄
9352 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 郭晓慧等: 嗜酸产甲烷菌及其在厌氧处理中的应用摇 摇 摇 摇 摇
fonic acid)]缓冲液[16,19]、PIPES缓冲液和 MES 缓冲
液[2鄄(N鄄morpholino) ethane sulfonic acid] [16],以及
柠檬酸鄄磷酸盐缓冲液[22],且一般选用的浓度为 1 ~
10 mmol·L-1 .
4摇 酸性环境中产甲烷菌的分子生物学研究
分子生物学技术无需富集培养微生物,而是直
接以生物的遗传物质为研究对象,在一定程度上克
服了传统微生物研究方法的缺陷,对微生物及其种
群研究具有更多优势,特别是对实验室条件下难以
培养的微生物而言更具优势. FISH、 T鄄RFLP、16S
rRNA基因和甲基辅酶 M 还原酶 琢 亚基(mcr A)功
能基因克隆文库(clone library),定量 PCR(quantita鄄
tive PCR)等均被大量应用于酸性环境中产甲烷菌
的研究.
基于 16S rRNA 分子生物学技术的研究表明,
在酸性泥炭沼泽中存在多种新型产甲烷菌属或菌
种.其中有一类隶属于甲烷杆菌目科水平分支的产
甲烷菌群(被称作 R10 或 fen cluster 或 E1 / E2 clus鄄
ter)在多个不同类型的酸性沼泽地的微生物 16S
rRNA基因克隆文库中均占很大的比例,该类群可
以利用 H2 / CO2 产甲烷,且被证明很可能是嗜酸的
产甲烷菌. Hales等[23]通过构建 16S rRNA基因克隆
文库发现英格兰北部的酸性沼泽地中的产甲烷古菌
序列聚集于产甲烷八叠球菌目和产甲烷微杆菌目,
其中以属于 R10 类群的克隆序列为主要序列.同样
Galands等[13]在芬兰一个贫营养沼泽中发现的 21
个 mcr A基因序列中,大约一半是属于 R10 家族,他
们称之为 fen cluster. Cadillo鄄Quiroz 等[24]通过构建
16S rRNA基因克隆文库和运用 T鄄RFLP技术与定量
PCR技术详细分析比较了纽约和芝加哥 2 个酸性泥
炭沼泽地产甲烷和产甲烷微生物群落结构的垂直变
化,证明了产甲烷群落 E2 在酸性沼泽中的大量存
在,并随取样深度加深(pH 升高)而减少,据此推测
该群落很可能是专性嗜酸的产甲烷群落. Horn
等[12]在德国一个沼泽中利用 pH 4郾 5 的酸性培养基
富集到了嗜酸产甲烷混合菌群,通过 16S rRNA 基
因序列分析,发现该富集培养物包含隶属于 R10 的
AMC1 序列. Brauer等[18]用酸性培养基得到了 2 个
产甲烷的富集培养物 6A和 NTA,2 个富集物均包含
了一种产甲烷古菌和 2 种细菌,其中产甲烷菌的
16S rRNA基因和 mcrA序列都属于 R10 种群.
利用分子生物学技术还可为新菌种富集分离条
件的优化和菌种纯化鉴定提供依据. Cadillo鄄Quiroz
等[19]发现在中营养沼泽的古菌群落中有相当比例
的 E1 群落分布,于是试图从该沼泽泥炭样品中分
离得到嗜酸产甲烷菌,但在初期的富集培养物中,得
到的却是隶属于甲烷螺旋菌科的菌群.通过采用 T鄄
RFLP分析手段作为富集培养基的优化选择工具,
经过转接培养,最终纯化得到了嗜酸产甲烷菌 Meth鄄
anosphaerula palustris gen. nov. sp. nov.同样在嗜酸产
甲烷菌 Methanoregula boonei 的纯化鉴定过程中,分
子生物学技术也起到了重要作用. Brauer 等[17]分离
培养获得了细直杆状和不规则球状两种形态的产甲
烷菌培养物.起初认为占少数的不规则球状微生物
是异养型杂菌,通过克隆文库的构建发现两种形态
微生物的 16S rRNA、16S ~ 23S ITS 和 23S rRNA 基
因的相似度均高达 99郾 7% ,据此得出两者可能是同
种微生物表现出的不同形态.
5摇 嗜酸产甲烷菌的应用
目前,对于嗜酸产甲烷菌在有机废弃物或废水
厌氧处理工艺中的直接应用研究较少. 唯一的报道
是 Savant等[25-26]对比分析了分离自酿酒废水厌氧
处理酸化反应污泥中的嗜酸产甲烷菌(Methanobre鄄
vibacter acididurans)和在厌氧消化反应器中常见的
产甲烷菌(Methanobacterium bryantii)的厌氧消化处
理效果,结果表明,在高浓度挥发性脂肪酸(VFA),
尤其是高浓度乙酸存在的条件下,前者表现出明显
的优势,而且,无论是在酸化反应器还是在产甲烷反
应器中投加该菌种的富集物,均可提高甲烷产率并
降低 VFA在系统中的积累.该研究结果为嗜酸产甲
烷菌在厌氧处理工艺中的应用提供了理论依据.
相比之下,通过驯化富集获得耐酸产甲烷污泥
以期达到降解高浓度有机物的研究相对较多. 这是
因为相对于嗜酸产甲烷菌的分离而言,驯化富集耐
酸产甲烷污泥比较容易. 大多数的研究都是基于厌
氧反应系统中原有的微生物群落通过加酸或提高负
荷逐步降低系统的 pH 进行驯化诱导,形成耐酸的
微生物种群结构或是特殊分布的生态结构以形成有
利于产甲烷菌生存的生境(如颗粒污泥),考察系统
在低 pH条件下是否仍能维持一定的运行效果. Jain
等[27]将厌氧处理系统 pH值以每次降低 0郾 5 个单位
的速度从 7郾 0 降至 4郾 0,检测数据表明在 pH降低过
程中,当 pH在 5郾 0 以上时,产甲烷速率为 pH 7郾 0 时
的 75%以上,pH 5郾 0、4郾 5 和 4郾 0 的条件下系统的产
甲烷速率分别为 pH 7郾 0 时的 67% 、37%和 34% .若
将系统 pH 7郾 0 直接降低为 5郾 5 时,产气率接近于
045 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
零,直接降为 4郾 5 或 4郾 0 时,系统则完全停止产气.
该试验证明了通过逐步降低系统 pH 驯化耐酸产甲
烷菌的可行性. Taconic 等[28]在研究乙酸溶液产甲
烷时发现,初始 pH 4郾 5 的处理比初始 pH 7郾 0 甲烷
产率高 30% ,其原因可能是由于低 pH 条件下水溶
液中以重碳酸盐形式溶解 CO2 的量减少,得以被自
养产甲烷菌利用,即通过 H2 +CO2 途径使产甲烷微
生物活性得以加强. 该课题组在半连续厌氧发酵试
验中发现,pH 长期(近 200 d)维持在 4郾 0 ~ 5郾 5 范
围内,持续产生大量甲烷,推测将产甲烷菌在酸性条
件下进行充分驯化,能达到与中性条件相当的产甲
烷率和有机物(COD)去除率[29] . 左剑恶等[30]和凌
雪峰等[31-32]分别以中性颗粒污泥和河底沉积物为
接种物,以人工配水为进水,逐步将反应器内的 pH
从 7郾 2 降至 6郾 0,成功培养出了具有良好沉降性能
和产甲烷活性的耐酸颗粒污泥. 系统在 pH 5郾 8 ~
6郾 0,有机负荷为 5郾 2 ~ 7郾 5 kg COD m-3·d-1条件下
连续稳定运行了 100 多天,COD去除率达到 90%左
右.以上结论表明在低 pH、低碱度条件下实现稳定
的产甲烷过程是可行的.
6摇 研究展望
嗜酸产甲烷菌广泛分布于自然酸性环境及厌氧
处理构筑物中,对碳素循环具有重要意义.高浓度有
机废弃物或废水厌氧生物处理技术的研究有助于提
高废物处理效率,降低废物处理成本.若将嗜酸产甲
烷菌应用于厌氧处理工艺中,则可从本质上突破高
浓度有机废物厌氧处理工艺产甲烷过程易受酸化抑
制的技术瓶颈,从而实现高浓度厌氧处理的高效稳
定运行.因此,开展对嗜酸产甲烷菌的研究,不论对
全球自然生态,还是对废物处理以及能源利用均具
有重要意义.
目前对嗜酸产甲烷菌的研究,大多集中在对嗜
酸产甲烷菌的分离驯化及系统发育分析等方面,与
厌氧处理工艺相关的嗜酸产甲烷菌研究相对较少,
嗜酸产甲烷菌的嗜酸机制机理研究还未见报道. 总
结目前的文献报道,我们提出以下展望:
1) 嗜酸产甲烷菌的富集分离培养与生长代谢
研究:嗜酸产甲烷菌特殊的生长条件对培养基配制
的要求较高.若要分离培养获得纯种,需通过大量实
验对培养基成分与配比进行优化. 应用分子生物学
技术检测分析与嗜酸产甲烷菌可能相对应的基因片
段的丰度可以提高培养基优化的效率.此外,对嗜酸
产甲烷菌的生长条件进行更为详细的研究,并揭示
其生长代谢特征,可以为将来的应用奠定基础.
2) 嗜酸产甲烷菌嗜酸机制机理的研究:嗜酸厌
氧菌的研究相对起步较晚,其中嗜酸产甲烷菌的研
究由于其严格的生理生长条件更是进展缓慢. 嗜酸
厌氧菌的嗜酸机制机理研究也只有关注于代谢调节
机制方面的少量研究[33-34] . 因此,要全面深入地了
解嗜酸产甲烷菌,须从代谢途径的调节、种间互作和
相应的功能基因等方面对嗜酸产甲烷菌的嗜酸机制
机理进行研究.
3) 耐酸产甲烷污泥的快速培养,耐酸机理及其
微生物种群结构的研究:鉴于产甲烷菌对酸度的敏
感,驯化耐酸产甲烷污泥的过程中对 pH 的监控要
求高,pH降低的梯度小(0郾 2 ~ 0郾 5 个单位),驯化时
间长.因此耐酸产甲烷污泥的快速培养对于其规模
化应用无疑具有重要意义.此外,基于形态结构特征
形成的耐酸特性对负荷冲击抵抗力弱,耐酸污泥中
产甲烷微生物种群结构研究少,耐酸污泥的耐酸机
制机理还有待深入研究,若能提高嗜 /耐酸产甲烷菌
群在耐酸特性中的作用,耐酸污泥中以真正的耐酸
菌群为主,将会提高厌氧工艺运行的稳定性.
4) 嗜酸产甲烷菌在实际的厌氧消化工艺中的
应用研究:现有文献对嗜酸产甲烷菌的研究多基于
自然酸性环境,其富集分离纯化条件要求苛刻,生长
代谢条件也与一般的产甲烷菌有所不同. 厌氧消化
工艺产甲烷菌常与多种发酵微生物营共生互养的关
系,其中嗜酸产甲烷菌种群在复杂的反应过程中发
挥着怎样的作用,及将分离得到的嗜酸产甲烷菌应
用于厌氧消化工艺中,是否能发挥预期的效应还有
待于进一步研究.
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作者简介摇 郭晓慧,女,1985 年生,博士研究生.主要从事有
机废物厌氧生物处理技术研究. E鄄mail: enjoylife_house@
126. com
责任编辑摇 肖摇 红
245 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷