產(chǎn)甲烷菌的生理生化特性(共8頁)

1、 2014 年 秋 季學(xué)期(xuq)研究生課程考核（讀書(d sh)報告、研究報告）考核科目:微生物生理學(xué) 學(xué)生所在院（系）:市政環(huán)境工程學(xué)生所在學(xué)科:環(huán)境工程學(xué) 生 姓 名:丁達(dá)學(xué) 號:14S127062學(xué) 生 類 別:工程碩士考核結(jié)果閱卷人產(chǎn)甲烷菌的生理生化(shn hu)特性 產(chǎn)甲烷菌是一類能夠?qū)o機(jī)或有機(jī)化合物厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳的古細(xì)菌，它們生活在各種自然環(huán)境下，甚至在一些極端(jdun)環(huán)境中。產(chǎn)甲烷菌是厭氧發(fā)酵過程的最后一個成員，甲烷的生物合成是自然界碳素循環(huán)的關(guān)鍵鏈條。由于產(chǎn)甲烷菌在有機(jī)廢棄物處理、沼氣發(fā)酵、動物瘤胃中有機(jī)物分解利用等過程中的重要作用，同時甲烷是導(dǎo)致全球

2、變暖的第二大溫室氣體,因此產(chǎn)甲烷菌和甲烷產(chǎn)生機(jī)理的研究備受關(guān)注。特別是近幾年對產(chǎn)甲烷菌基因組的研究，使人們從基因組的角度、進(jìn)化的角度對甲烷生物合成機(jī)理、甲烷菌的生活習(xí)性、形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面獲得更深刻的理解。關(guān)鍵詞：產(chǎn)甲烷菌；顯著影響因子；生化(shn hu)特性引言 目前能源與環(huán)境已成為影響人類社會可持續(xù)發(fā)展的重大問題，厭氧消化技術(shù)在能源生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)等方面具有突出的優(yōu)勢而倍受青睞。沼氣發(fā)酵是自然界極為普遍而典型的厭氧消化反應(yīng)，各種各樣的有機(jī)物通過沼氣發(fā)酵，不斷地被分解代謝產(chǎn)生沼氣，從而構(gòu)成了自然界物質(zhì)和能量循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。厭氧消化是極為復(fù)雜的生物過程，在參與反應(yīng)的眾多微生物中，產(chǎn)甲烷菌的優(yōu)劣和密

3、度是影響厭氧消化效率和甲烷產(chǎn)量的重要因素，因此對產(chǎn)甲烷菌特征以及影響因子的研究成為重點。二、產(chǎn)甲烷菌概述 產(chǎn)甲烷菌的研究開始于 1899 年，當(dāng)時俄國的微生物學(xué)家奧姆良斯基（Omelianski）將厭氧分解纖維素的微生物分為兩類，一類是產(chǎn)氫的細(xì)菌，后來稱產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸菌；另一類是產(chǎn)甲烷菌，后來稱奧氏甲烷桿菌（Methanobacillus omelauskii)。1901年Sohzgen對產(chǎn)甲烷菌的特征及對物質(zhì)的轉(zhuǎn)化進(jìn)一步作了詳細(xì)的研究。1936年Barker對奧氏甲烷菌又作了分離研究。但這些研究，由于厭氧分離甲烷菌的技術(shù)尚不完備，均未取得大的進(jìn)展。直到1950年Hungate第一次創(chuàng)造了無氧分

4、離技術(shù)才使甲烷菌的研究得到了迅速的發(fā)展。 產(chǎn)甲烷菌是一類能夠?qū)o機(jī)或有機(jī)化合物厭氧消化轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳的古細(xì)菌，它是嚴(yán)格厭氧菌，屬于水生古細(xì)菌門（Euryarchaeota）。它們生活在各種自然環(huán)境下，如反芻動物的瘤胃、人類的消化系統(tǒng)、稻田、湖泊或海底沉積物、熱油層和鹽池，以及污泥消化和沼氣反應(yīng)器等人為環(huán)境中。產(chǎn)甲烷菌是厭氧消化過程的最后一個成員，甲烷的生物合成是自然界碳素循環(huán)(xnhun)的關(guān)鍵鏈條。 由于產(chǎn)甲烷菌是嚴(yán)格的厭氧菌，對其研究(ynji)需要較高的技術(shù)手段，所以，在20世紀(jì)(shj)70年代中期以前，產(chǎn)甲烷菌新種發(fā)現(xiàn)的不多，據(jù)伯杰細(xì)菌鑒定手冊第八版記載，產(chǎn)甲烷菌只有一個科，即

5、甲烷桿菌科，分三個屬，有9個種。但是，隨著其研究手段的飛速發(fā)展，和人們對產(chǎn)甲烷菌的關(guān)注，越來越多的產(chǎn)甲烷菌被人們發(fā)現(xiàn)，到目前為止，從系統(tǒng)發(fā)育來看，甲烷菌分成5個目，分別為甲烷桿菌目（Methanobacteriales）、甲烷球菌目（Methanococcales）、甲烷八疊球菌目（Methanosarcinales）、甲烷微菌目（Methanomicrobiales）和甲烷超高溫菌目（Methanop-yrales）。Schnellen 第一個從消化污泥中分離純化得到甲酸甲烷桿菌（Methanobact erium formicium）和巴氏甲烷八疊球菌（Methanosa rcina ba

6、rkeri），到目前為止，分離鑒定的產(chǎn)甲烷菌已有200多種。產(chǎn)甲烷菌顯著影響因子 產(chǎn)甲烷菌的活性受溫度、pH值、有毒物質(zhì)等環(huán)境因素以及C、N、P的比值以及無機(jī)元素等的影響，各因子所處條件對于產(chǎn)甲烷過程具有一定影響，根據(jù)前期研究結(jié)果，本文主要涉及微量元素等幾種對產(chǎn)甲烷階段具有重要影響的顯著影響因子。1.微量元素對產(chǎn)甲烷菌的影響 厭氧消化的產(chǎn)甲烷階段對無機(jī)營養(yǎng)的缺乏十分敏感。許多廢水厭氧生物處理中，均出現(xiàn)了出水中揮發(fā)性脂肪酸（VFA）偏高，氣體產(chǎn)率下降的現(xiàn)象。起初人們認(rèn)為是毒性物質(zhì)抑制作用或是缺乏N、P營養(yǎng)。但后來許多實驗證明，極易生物降解的VFA，在厭氧出水中之所以濃度偏高，不是毒性物質(zhì)的抑制作

7、用，也不是缺乏N、P營養(yǎng)，而是缺乏微量營養(yǎng)元素。 Takashima和Speece發(fā)現(xiàn)微量金屬元素的氯化物與無機(jī)營養(yǎng)液中其它物質(zhì)混合后加入反應(yīng)器內(nèi)，當(dāng)生物停留時間SRT為20d 時，只能達(dá)到很低的乙酸利用率：48 kgm-3d-1；但如果微量金屬元素的氯化物直接加入反應(yīng)器內(nèi)，則當(dāng)生物停留時間SRT為5d時乙酸利用率即可高達(dá)30 kgm-3d-1。因而，微量金屬元素的加入方式也對產(chǎn)甲烷菌優(yōu)勢菌種變化產(chǎn)生很大影響。另外，李亞新等發(fā)現(xiàn)微量金屬元素對毒性物質(zhì)具有拮抗作用，從而緩解毒性物質(zhì)對產(chǎn)甲烷菌的限制作用。 因而微量金屬元素的加入能使反應(yīng)器內(nèi)甲烷菌的優(yōu)勢菌種發(fā)生變化，使乙酸利用率提高數(shù)倍。但微量元素

8、需直接加入反應(yīng)器，從而保證甲烷菌的充分利用。微量金屬營養(yǎng)元素能對毒性物質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的拮抗作用(zuyng)。在厭氧消化過程中補(bǔ)充微量金屬元素是提高厭氧消化過程效率和穩(wěn)定性的重要途徑。2.硫酸鹽對產(chǎn)甲烷菌的影響(yngxing) 厭氧處理中，硫酸鹽還原(hun yun)細(xì)菌以氫、乙酸、乳酸等為電子供體、以SO42-為末端電子受體，將其還原為S2-的厭氧反應(yīng)稱其為硫酸鹽還原作用。由于硫酸鹽還原細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌都可利用這些基質(zhì)，而且硫化物對產(chǎn)甲烷細(xì)菌具有毒害作用。普遍認(rèn)為，硫酸鹽還原作用影響產(chǎn)甲烷作用的進(jìn)行。然而，各研究者的結(jié)論不盡相同，包括對于硫酸鹽對產(chǎn)甲烷菌的致害濃度存在較大爭議。Karhadka

9、r等指出硫化物對產(chǎn)甲烷菌有抑制作用，但經(jīng)過馴化，產(chǎn)甲烷菌可提高對硫化物的抵抗力。Parking等認(rèn)為硫化氫對未經(jīng)馴化的產(chǎn)甲烷菌的致害濃度為50 mgL-1。Isa等的研究表明硫化物對產(chǎn)甲烷菌的致害濃度從未經(jīng)馴化時的20mgL-1提高到馴化后的500 mgL-1。施華均等發(fā)現(xiàn)硫酸鹽對于批量試驗的影響并不大，對于連續(xù)運(yùn)行試驗的沖擊則很大。因此，根據(jù)不同濃度的底物和不同的厭氧消化試驗，要進(jìn)行相關(guān)的硫酸鹽抑制產(chǎn)甲烷菌的研究。3.pH值對產(chǎn)甲烷菌的影響 厭氧微生物的生命活動、物質(zhì)代謝與 pH 值有密切的關(guān)系，pH 值的變化直接影響著消化過程和消化產(chǎn)物，不同的微生物要求不同的 pH 值。pH值的變化可引起

10、微生物體表面的電荷變化，進(jìn)而影響微生物對營養(yǎng)物的吸收，還可以影響培養(yǎng)基中有機(jī)化合物的離子化作用，從而對微生物有間接影響；另外酶只有在最適宜的 pH 值時才能發(fā)揮最大活性，不適宜的 pH 值使酶的活性降低，進(jìn)而影響微生物細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)過程。再者過高或過低的pH 值都降低微生物對高溫的抵抗能力。4.氧化(ynghu)還原電位（Eh）對產(chǎn)甲烷菌的影響 厭氧環(huán)境的主要標(biāo)志是沼氣發(fā)酵液具有低的Eh，其值應(yīng)為負(fù)值。一般情況下，氧的溶入是引起厭氧消化中的Eh升高的最主要和最直接的原因。另外其它一些氧化劑或氧化態(tài)物質(zhì)存在同樣能使體系中的Eh升高，當(dāng)其濃度達(dá)到一定程度(chngd)時，會危害厭氧消化過程的進(jìn)行

11、。由此可見，體系中的Eh比溶解氧濃度能更全面地反映發(fā)酵液所處的厭氧狀態(tài)。不同的厭氧消化體系和不同的厭氧微生物對Eh的要求不同。兼性厭氧微生物在+100 mV 以上時進(jìn)行好氧呼吸，Eh為+100 mV 以下時進(jìn)行無氧呼吸；產(chǎn)酸菌對Eh的要求不甚嚴(yán)格，可以在-100至+100 mV 的兼性條件下生長繁殖(fnzh)；中溫及浮動溫度厭氧消化系統(tǒng)要求的Eh應(yīng)低于-300至- 380 mV；高溫厭氧消化系統(tǒng)要求適宜的Eh為-500至-600mV。產(chǎn)甲烷菌最適宜的Eh為-350 mV或更低。四、產(chǎn)甲烷菌的生化反應(yīng)機(jī)理產(chǎn)甲烷菌的生化模型 研究已建立了產(chǎn)甲烷微生物利用 H2/CO2、甲醇和醋酸為基質(zhì)產(chǎn)甲烷的生

12、化代謝模型(圖 1)。圖1表明：甲胺基類化合物(甲胺、二甲胺、三甲胺)在產(chǎn)甲烷代謝中經(jīng)歷與甲醇類似的代謝途徑；甲酸通常先被氧化成二氧化碳，再進(jìn)入產(chǎn)甲烷代謝。產(chǎn)甲烷菌的酶 2.1氫化酶 利用(lyng) H2/CO2為基質(zhì)(j zh)的產(chǎn)甲烷菌通常包含兩種氫化酶：一種是利用輔酶F420為電子受體的氫化酶，另一種(y zhn)是非還原性輔酶F420氫化酶。目前尚不清楚后一種氫化酶的生理電子受體，在以前的文獻(xiàn)中常稱它為還原甲基紫精氫化酶。實際上這是一種誤導(dǎo)，因為上述兩類氫化酶都能催化人工電子受體甲基紫精染料的還原。圖1所示的產(chǎn)甲烷代謝中，前一種氫化酶催化次甲基四氫甲基喋呤還原成亞甲基四氫甲基喋呤，再

13、進(jìn)一步催化還原成甲基喋呤；后一種氫化酶的生理功能有兩種：(1) 激活二氧化碳，并將它催化還原成甲?；谆秽? 2) 在甲基輔酶M的還原過程中提供電子。迄今為止，研究人員已對 20 多種微生物的氫化酶進(jìn)行了較為詳盡的研究。從已報道的研究結(jié)果來看，產(chǎn)甲烷菌的氫化酶結(jié)構(gòu)類似于鐵氧還蛋白，并含有對酸不穩(wěn)定硫，其活性中心為4Fe- 4S。 2.2輔酶F420 產(chǎn)甲烷細(xì)菌在420nm紫外光激發(fā)下產(chǎn)生蘭-綠色熒光，主要原因是細(xì)胞中含有輔酶F420和甲基喋呤類化合物。輔酶F420首先被Fzeng和Cheeseman等所發(fā)現(xiàn)，后來被證實在產(chǎn)甲烷細(xì)菌中普遍存在。大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌中輔酶F420含量相當(dāng)高，一般不低

14、于150mg/( kg濕細(xì)胞)，但在巴氏甲烷八疊球菌和瘤胃甲烷短桿菌中輔酶F420的含量卻很低( 20mg/( kg濕細(xì)胞)。目前除產(chǎn)甲烷菌外，還沒有發(fā)現(xiàn)其它專性厭氧菌存在有輔酶F420和其它在420nm 激發(fā)、480nm發(fā)射熒光的物質(zhì)。因此，利用熒光顯微鏡檢測菌落產(chǎn)生的熒光已成為鑒定產(chǎn)甲烷菌的一種重要技術(shù)手段。 2.3輔酶(f mi)M McBride和Wolfe在甲烷桿菌M.O.H菌株中發(fā)現(xiàn)了一種參與甲基轉(zhuǎn)移反應(yīng)的輔酶，并將其命名為輔酶M。Gunsalus和Wolfe發(fā)現(xiàn)嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌的細(xì)胞粗提取液中加入甲基輔酶 M 后，產(chǎn)甲烷速率提高30倍，這種現(xiàn)象被稱為RPG效應(yīng)(xioyng)。它

15、表明輔酶M在產(chǎn)甲烷過程中起著極為重要的作用。輔酶M是迄今已知的所有輔酶中分子量最小的，也是產(chǎn)甲烷菌特有的一種輔酶。不同種的產(chǎn)甲烷菌或同種但利用的底物不同，所含輔酶M的數(shù)量也有差異，一般含量為0.31.6mol/mg干重(n zhn)。 2.4甲基呋喃 如圖1所示，在利用H2/CO2產(chǎn)甲烷的代謝途徑中，甲基呋喃( MFR)是CO2激活和還原過程中的第一個載體，所以早期的文獻(xiàn)中稱它為二氧化碳還原因子( CDR)。甲基呋喃是一類 C4位取代的氨基呋喃類化合物，存在于所有的產(chǎn)甲烷菌中。在產(chǎn)甲烷菌中目前至少發(fā)現(xiàn)了有五種R取代基不同的甲基呋喃衍生物。 2.5 四氫甲基喋呤 四氫甲基喋呤( H4MTP)是產(chǎn)

16、甲烷代謝C1化合物還原和甲基轉(zhuǎn)移的重要載體。它從甲?；谆秽@得甲酰基，將其還原為甲基，最后將甲基傳遞給輔酶M。四氫甲基喋呤的化學(xué)結(jié)構(gòu)與四氫葉酸有相似之處。甲烷八疊球菌spp菌株含有四氫甲基喋呤的另一種異構(gòu)體四氫八疊喋呤，只是R取代基中多了一個谷酰胺基。五、結(jié)論 產(chǎn)甲烷菌實現(xiàn)了COD到清潔能源CH4的轉(zhuǎn)化，對其生理生化特性的研究為開發(fā)更節(jié)約能源、更符合可持續(xù)發(fā)展要求的廢水脫氮技術(shù)提供了生物學(xué)和微生物學(xué)基礎(chǔ)。甲烷菌與厭氧氨氧化菌、好氧氨氧化菌的協(xié)同耦合作用又為新型的脫氮工藝提供了可能性。利用好3種菌群的協(xié)同作用, 對于研究和開發(fā)投資省、運(yùn)行穩(wěn)定并適合于可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代廢水處理新技術(shù)具有重要意義

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