蒙杰，王敦球

(廣西桂林工學院資源與環境工程系，桂林 541004)

　　摘要：詳細分析沼氣發酵的基本機理及其主要微生物菌群，論述沼氣發酵過程中微生物菌群對產沼氣的影響，并指出水解性細菌、纖維素分解菌、白腐菌等對提高沼氣產率具有不可忽視的作用，對開發研制新型高效沼氣促進劑具有指導意義。

　　沼氣是一種可再生能源，它可以作為農村炊事、照明等生活用能，是農村實現燃氣化的一條有效途徑。

　　沼氣與養殖、種植相結合進行綜合利用，具有明顯的經濟效益。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、良性循環利用的生態農業在綠色農業中占有舉足輕重的地位。同時，為了更好地

　　發揮以沼氣為紐帶的生態農業的作用，促進綠色農業的發展，提高沼氣池的產沼氣率具有重要意義。

　　沼氣發酵的影響因素有很多，比如發酵溫度、pH值、微生物種群以及物料預處理情況等。沼氣發酵是沼氣微生物在厭氣條件下分解有機物質產生甲烷和二氧化碳的過程。在這一過程中，非產甲烷細菌與產甲烷細菌聯合作用，發酵的效率與這兩大類群微生物之間能否協調生長直接相關。在厭氧系統中，存在著種類繁多，關系復雜的微生物區系。甲烷的產生是這個微生物區系各種微生物相互平衡、協同作用的結果。因此，研究發酵過程中微生物生理群的變化及其所引起的物質轉化對產氣效率的影響，對于有效地控制發酵過程，提高產氣效率具有重要的意義。

　　1沼氣發酵的基本機理和微生物群

　　1.1沼氣發酵的基本機理

　　沼氣發酵是由多種產甲烷細菌和非產甲烷細菌混合共同發酵完成的。沼氣發酵的第一階段由厭氧和兼性厭氧的水解性細菌或發酵性細菌將纖維素、淀粉等水解成單糖，并進一步形成丙酮；將蛋白質水解成氨基酸，并進一步形成有機酸的氨；將脂類水解為甘油和脂肪酸，進一步形成丙酸、乙酸、丁酸、乙醇等。第二階段由產氫產乙酸細菌群利用第一階段產生的有機酸，氧化分解成乙酸和分子氫；第三階段由嚴格厭氧的產甲烷細菌群(methangens)完成。在這個龐雜的混合發酵體系中，非產甲烷細菌為產甲烷細菌提供生長和產甲烷所需的基質，創造適宜的氧化還原條件，并清除有毒物質；產甲烷細菌為非產甲烷細菌的生化反應解除反饋抑制，創造熱力學上的有利條件；并且兩類菌共同維持環境中適宜的pH值。產甲烷細菌和非產甲烷細菌間通過互營聯合實現甲烷的高效形成。

　　1.2發酵過程的主要微生物

　　整個厭氧消化過程是一個產甲烷細菌和非產甲烷細菌相互作用，相互制約的動態平衡過程。用于厭氧消化的原料幾乎都是不溶性有機大分子的碳水化合物、脂肪和蛋白質等，只有通過水解酶把它們分解成較小的分子后才能被產氫產乙酸菌和產甲烷細菌利用，最終產生甲烷。

　　水解過程通常較緩慢，因此是含高分子有機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。它們的作用是將復雜的大分子水解為可被微生物同化的單體。在有機聚合物占多數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年來的研究發現，產氫產乙酸菌包括互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等。這類細菌能把各種揮發性脂肪酸降解為乙酸和H₂。利用乙酸的產甲烷細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。在厭氧反應器中，甲烷產量的70%是由乙酸歧化菌產生的。在反應中，乙酸中的羧基從乙酸分子中分離，甲基最終轉化為甲烷，羧基轉化為二氧化碳。

　　2非產甲烷細菌與產甲烷細菌之間的相互關系

　　厭氧發酵過程實際上是由各種微生物所進行的一系列生物化學的偶聯反應，而產甲烷細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系包括：非產甲烷細菌與產甲烷細菌的相互關系；非產甲烷細菌之間的相互關系；產甲烷細菌之間的相互關系。以上第一種關系最為重要，在厭氧處理系統中，非產甲烷細菌和產甲烷細菌相互依賴，互為對方創造良好的環境和條件，構成互生關系；同時，雙方又互為制約，在厭氧生物處理系統中處于平衡狀態。

　　研究發現，在發酵的整個過程中，大體上可分為發酵啟動期、盛產氣期和持續產氣期三個階段。啟動階段初期，好氧細菌是引起有機物質轉化的主要類群，而利用葡萄糖的好氧產酸菌又是好氧細菌中的優勢類群。到產氣高峰，產甲烷細菌與厭氧氨化細菌和厭氧產酸細菌的菌數都達到最高值。產氣高峰過后，由于易分解性基質的消耗，厭氧氨化細菌和厭氧產酸細菌開始下降，而產甲烷細菌基本上維持最高菌數。

　　由此可以說明，高峰迅速下降的原因與厭氧氨化細菌和厭氧產酸細菌的迅速下降有關。看來三者維持在高菌數時，產氣效率最高。而三者中任何一生理群菌數過高或過低，即三者相對比例失調，則產氣效率降低。所以厭氧產酸下降、厭氧氨化下降、產甲烷細菌的迅速增殖以及三大生理群細菌的協調生長，是維持盛產氣期的重要條件。在持續產氣期，厭氣纖維分解細菌是這一時期菌數繼續上升的唯一微生物生理群。

　　這一時期產生甲烷的前體物質主要來自纖維素的分解。

　　3幾種重要微生物類群對產沼氣的影響

　　3.1水解細菌

　　在一個能夠正常進行發酵的沼氣池中，非產甲烷細菌對有機物分解利用的速度決定了產甲烷細菌產甲烷的速度。為了進一步提高沼氣產量，重要的不是產甲烷細菌的繼續富集，而是提高非產甲烷細菌對有機物的水解速度，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勢菌群，改善非產甲烷細菌的代謝功能，是提高有機物分解利用率和沼氣產量的一項重要措施。

　　為了提高沼氣池發酵原料的分解利用率和產氣量，國內外都十分注重在沼氣池內保持較多的產甲烷細菌群(厭氧污泥)。除了應采取上述措施外，為沼氣池提供水解細菌的優勢菌群，改善非產甲烷細菌的代謝功能，使有機物得到更徹底的分解，是提高沼氣池產氣量的重要途徑。對于處理固形物含量較高的、含較多較難分解的有機物的沼氣發酵原料，采取這一措施顯得尤為重要。

　　研究發現，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)的酶活與沼氣產量成正比關系，水解酶活均出現在產氣峰值的附近，并且水解酶活與沼氣產量的變化曲線相似，這一結果在國內外尚未見報道。另有研究表明，適量添加水解酶能加快發酵原料中纖維素的降解速度，明顯提高沼氣產量。

　　3.2秸稈預處理有效菌

　　天然狀態下的秸稈由纖維素、半纖維素、木質素及部分蛋白質、氨基酸、單寧等組成。由于天然木質纖維素結構的復雜性，進行生物轉化的難點在于如何高效將它降解成為可發酵糖。結合預處理方法消除

　　木質素的阻礙作用，是提高纖維素被纖維素酶水解的有效步驟。將纖維素酶的產生、纖維素的水解及酒精發酵過程有效組合，可提高生物轉化效率降低轉化成本。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，如果不作處理就下池，水分不易通過蠟質層進入秸稈內部，纖維素很難腐爛分解，不能被甲烷細菌利用，而且會造成浮料或結殼現象。目前對農作物秸稈的利用還未達到令人滿意的水平，其主要原因是缺乏對農作物秸稈這種天然纖維素完全降解的高活性菌株。為了加快原料的發酵分解，提高產氣量，必須對作物秸稈等原料做好預處理。對纖維素、木質素降解能力較強的有白腐菌和纖維素分解菌。木質素的生物降解就是利用微生物所產生的胞外酶(主要是木質素氧化酶系，對木質素有較強的催化氧化作用)作用于木質素并使其逐步分解轉化的過程。

　　由于微生物的木質纖維素降解能力較弱，導致農作物秸稈的水解過程緩慢，水解程度低，使農作物秸稈的厭氧消化時間長、消化率低、產氣量少、投入產出效益差，因而限制了秸稈大規模地應用于厭氧發酵。

　　因此，研究如何通過預處理使作物秸稈中的木質纖維素得到有效降解成為秸稈生物處理的一個關鍵。

　　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菌。

　　自然狀態下，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果，這一過程僅靠一種微生物是無法實現的。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，在進行纖維素大分子降解的研究過程中要考慮到微生物的產酶體系之間的協同效應。多菌株混合培養，產酶具有多樣性，彌補了單個菌株產酶單一的缺點，對稻草秸稈的利用更完全。混合菌將可以大大促進纖維素類物質的分解。

　　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素包裹的程度。

　　木質素是由苯丙烷結構單體組成的具有三維網狀結構的天然高分子化合物，在細胞壁中起加固作用，把纖維素和半纖維素粘結起來。木質素不能水解為單糖。木質素的存在阻礙了纖維素和半纖維素對酶的可及性，并且，木質素不可逆地結合水解酶，使得水解速度降低。木質生物資源的結構(纖維素結晶度、聚合度及表面積)和化學組成(半纖維素及木質素含量)影響纖維素底物對纖維素酶的敏感度，對酶水解造成障礙，致使天然形態的木質生物資源的酶解率小于20%。因此，必須對原料進行預處理，將纖維素、半纖維素和木質素進行分離，打破纖維素的結晶結構，提高纖維素對酶的可及性，使纖維素酶滲透進纖維素，從而有效地酶解纖維素。

　　白腐菌是降解木質素能力最強的微生物。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，以降解細胞壁物質中的木質素、纖維素及半纖維素。由于不同的生理要求，不同白腐菌對木質素的降解具有選擇性。孟慶翔等研究也發現，同一白腐真菌對不同底物(小麥秸、稻草秸和玉米秸)木質素、半纖維素降解也明顯不同。所以，預處理時應根據不同的堆肥物料選擇合適的菌種。

　　研究結果表明，利用白腐菌對玉米秸稈進行生物降解預處理，在固液比例為1：9，添加0.1%碳源和0.2%氮源的條件下，能大幅度提高木質纖維素的降解率，并獲得COD值在10000mg/L以上的降解液。

　　4結論

　　厭氧生物降解過程是一個極其復雜的過程，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物甲烷的產量。充分認識微生物在沼氣發酵中的作用和影響，對研制新型高效沼氣促進劑具有指導意義。除此以外，影響產沼氣的因素還有：溫度、pH值、氧化還原電位、基質的營養比例、基質微生物比(COD/VSS)、毒性物質和微量元素等。

　　沼氣是伴隨著有機物在厭氧的條件下通過微生物的代謝活動被穩定化而產生的，有機物厭氧發酵的每一個階段均有獨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，不斷的對發酵過程中的大量細菌、原生動物及真菌進行調控，改善和促進各個階段的獨特微生物類群的活性，使其在較短時間內大量繁殖，加快有機物穩定化的進度，最終以達到縮短發酵時間，增加厭氧發酵產氣率的目的，從理論上來說是可行的。