填埋场中垃圾降解微生物机理研究进展

填埋场中垃圾降解微生物机理研究进展填埋法因费用低、管理方便等优点在国内外垃圾处理中占优势。如美国的垃圾填埋率为61％，法国为60％，其它一些发展中国家垃圾处理中垃圾填埋占的比例更高，如我国就占95％以上。发展中国家因受经济条件的制约，在以后相当长的一段时间内垃圾填埋将仍是垃圾处理的主要方式。而传统的垃圾填埋方式存在许多缺陷，如：垃圾稳定化过程比较长，封场后的管理负担重；渗滤液后处理困难，对周围地下水产生污染等。加速填埋垃圾的降解，延长填埋场的使用寿命，遏制填埋场产生二次污染是垃圾填埋研究面临的新课题。填埋场内垃圾的降解是一个复杂的生物化学反应过程。生物降解在垃圾降解中起主要作用。填埋场内垃圾降解过程实际上是一个厌氧消化过程，其稳定过程有赖于厌氧系统内部各种生化条件和环境因子的优化，从而使各类群微生物之间能进行有效的协作。因此，了解填埋场内的微生物降解机理，掌握其规律，对人为有效地控制和优化填埋场条件，使其达到微生物降解的最适条件，从而加速垃圾降解，缩短垃圾稳定化时间，延长填埋场使用寿命具有重要意义。1填埋场内的微生物降解过程垃圾在填埋场内的降解大致可以分为好氧降解和厌氧降解两个阶段。好氧降解：该阶段垃圾中易降解的有机组分迅速与填埋垃圾所夹带的氧气发生好氧生物降解，生成CO2和H2O，同时释放出一定热量，垃圾温度升高。这是一个非常短暂的过程，在填埋场垃圾降解中起次要作用。厌氧降解：该阶段是垃圾降解的主要阶段，它包括水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷过程具体如图1所示从生化反应电子流守恒原理的角度对有机物厌氧处理过程所做的生化反应计量学研究表明：水解和酸化发酵阶段微生物都需要消耗一定的NH4+和碱度。水解阶段电子供体为含氮有机物时还需要消耗H+，含氮有机物中氮素以NH4+释放出来，而产甲烷阶段以乙酸为电子供体时则会产生一定的碱度。所以水解和酸化阶段填埋体内会产生酸的积累，pH值下降，而产甲烷阶段则pH值会升高。总之，垃圾的厌氧降解是多类群微生物协同代谢的过程，不同代谢微生物相互促进、相互制约。稳定的降解过程中各微生物类群处于一种微妙的动态平衡中，一旦某个环节发生障碍，就会影响整个代谢过程。2填埋场降解垃圾的主要微生物类群填埋场中降解垃圾的微生物有细菌、真菌和放线菌。其中细菌数量最多。按垃圾厌氧降解过程，主要微生物有以下几类。第一类，水解菌群。微生物产生的胞外酶催化大分子聚合物水解成单体或小分子聚合物。按底物可将水解分为3大类：糖类水解、蛋白质水解和脂肪水解。糖类水解又包含纤维素水解、淀粉水解租果胶水解。由此水解菌分为：纤维素水解菌、淀粉水解菌，果胶降解菌，蛋白质水解菌和脂肪水解菌。纤维素水解细菌主要有Hungate分离的产唬拍酸拟杆菌(Bacteriodessuccinogenes)；溶纤维T酸弧菌(Butyribibriofibrisolvens)；生黄瘤胃球菌(Ruminococcusflavefaciens)；白色瘤胃球菌(Ruminococcusalbus)；何若分离的细菌纤维素单胞菌属CB2(Cellulolomonas)；放线菌链霉菌属CAS(Streotomyces,sp)；真菌毛霉属CF,(Mucor,sp)等。淀粉降解细菌主要有巨大芽抱杆菌CB_(Bacillus,sp)；真菌毛霉属SF2(Mucor,SP)；果胶降解真菌毛霉属PeFs(Mucor,sp)；蛋白质降解细菌有[1101：细菌炭疽芽抱杆菌PAS(Bacillus,sp)；缺陷短波单抱菌PBis(Brevundimonasdiminuta)；脂肪水解菌中橄榄油降解细菌有：纤维素单胞菌属FB4(Cellulolomonas)；橄榄油降解真菌毛霉属FF6(Mucor,sp)；橄榄油降解放线菌链霉菌属FA,(Streotomyces,sp)；此外，Hungate还分离出半纤维素水解细菌瘤胃生拟杆菌(Bacteroidisruminicola)；溶纤维丁酸弧菌(Butyribibriofibrisolvens)；生黄瘤胃球菌(Ruminococcusflavefaciens)和魄瘤球菌等。第二类，产氢产乙酸菌群。主要有：布氏甲烷杆菌属和G株布氏杆菌属。第三类，产甲烷菌群。产甲烷菌群属古菌界，主要有：杆状菌、球状菌和八叠球菌3类。杆菌中有：史密斯短杆菌属、史密斯甲烷杆菌属、嗜热自养甲烷杆菌属；球菌有：巴氏甲烷八叠球菌、范尼氏甲烷球菌、沃氏甲烷球菌、马氏产甲烷球菌、海生产甲烷球菌及嗜热无机营养球菌；八叠球状产甲烷细菌为：227巴氏甲烷八叠球菌、巴氏甲烷八叠球菌、嗜热甲烷八叠球菌，其中产甲烷八叠球菌为优势种。3填埋场内降解微生物国内外研究现状3.1影响微生物活性的环境因素微生物作为一种生命活动的形式，进行新陈代谢和繁殖等活动的环境条件是有限的，环境条件不适宜，微生物生命活动受到抑制；环境条件如果超出其耐受的极限，甚至会消亡。影响微生物活性的环境因素主要有湿度、温度、pH、氧化还原电位、营养条件等。①湿度。湿度是垃圾降解过程中一个非常重要的影响因子，其影响微生物活动、生长和分布，过低的湿度限制微生物运动和新陈代谢，使微生物活动受抑制。垃圾降解过程中湿度还影响产甲烷菌群将酸转化为甲烷和有机酸酸量的平衡。有研究表明垃圾的甲烷生产率与含水率(湿度)在一定范围内正相关，其最佳含水率为60％～75%。②温度。不同类型的微生物有不同的最适温度。有研究表明垃圾降解中41℃是最佳产气温度，而在48～55℃之间，垃圾几乎不产气。③pH。pH不仅影响微生物的生长和物质在细胞膜上的运输，而且影响酶反应的平衡。产甲烷细菌最佳pH值为6.8~7.5，pH过高会使C02浓度下降，pH低又会抑制细菌的活性。④营养物质。C/N比太大，细菌生长所需N量不足，容易造成有机酸的积累，抑制产甲烷菌的生长；C/N比太低，盐大量积累，也会抑制产甲烷细菌的生长。3.2填埋场内微生物种类及其活性垃圾厌氧降解中，最初的乙酸利用，最终的聚合物水解，限制了甲烷的产率。也就是说，水解阶段和产甲烷阶段是垃圾降解的限速步骤，因此对填埋场内垃圾降解微生物研究长期以来主要集中在这两个方面。3.2.1水解菌群活性水解是微生物利用复杂聚合物的第一步，其实质上是通过细胞胞外酶起作用的，而这种胞外酶的分泌依赖于少数几种微生物。Palminsano等进行了一系列实际垃圾填埋场内水解酶活性和水解细菌的研究，其研究结果表明：填埋场细菌中仅有一小部分(0-15%)能产生胞外酶水解淀粉和蛋白质，而蛋白质水解细菌、淀粉水解细菌则只总厌氧细菌总数的1%左右。Johns和Grainger的研究则证明湿度对蛋白质和淀粉水解酶有促进作用，随着湿度的增加至60%(重量比)，酶活性相应提高，但实验室模拟填埋场和实际填埋场相差很大，实验室模拟填埋场的酶活性大概是实际填埋场中的10倍。此外，纤维素占城市固体废弃物的40%~50%，且垃圾降解过程中纤维素的水解是垃圾降解的限速步骤之一，因此有学者针对垃圾中纤维素水解做了一些研究。早期确认报道的纤维素降解菌仅有3类，分别是纤维素单胞菌(Cellulomonas)、梭菌属(Clostridium)和真细菌(Eubacterium)；近来也有报道说从垃圾中分离出的纤维素水解菌主要是杆细菌和放线菌。填埋场内水解细菌主要是由不同的垃圾组分携带进去的，QianXD等研究了不同垃圾组分携带纤维素、半纤维素水解细菌的差异，覆盖土壤带人半纤维素水解细菌为160Cells/(dry·gram)细胞/每克干重)，草中半纤维素水解细菌为109Cells/(dry·gram)；纤维素水解细菌在树枝中含量最高，为316Cells/(dry-gram)。填埋场垃圾中纤维素水解菌的含量和种类因不同填埋年龄而异。Poucher等报道：5年填埋垃圾中水解细菌占总细菌的比例比1年填埋垃圾要低得多，而且1年填埋垃圾中纤维素水解细菌种类更为复杂。3.2.2产甲烷菌群的活性甲烷是一种可回收利用的能源，而由产甲烷细菌参与催化的处于垃圾连续矿化作用末端的解聚反应常常是垃圾厌氧降解中的限制因素，因此受到研究者们的极大关注①SO42-,NO3-。一类物质对产甲烷细菌的响：填埋场内的硫酸盐还原细菌和硝酸盐还原细菌能将酸化阶段产生的有机产物氧化成重碳酸盐和乙酸盐。它们还能以乙酸为电子供体，SO42-,NO3-为电子受体将乙酸氧化成重碳酸盐，NO3-，SO42-被还原为N2和H2S。尤其是硫酸盐还原细菌，它能和甲烷细菌竞争底物H2，且硫酸盐还原细菌H2的竞争能力比产甲烷细菌强，当填埋场内H2为制约因子，且存在大量SO42-离子时，填埋场内的产甲烷细菌将受到抑制。②VFA积累对产甲烷细菌的影响：厌氧消化过程的不稳定是由于产酸细菌的快速增长及产乙酸细菌、分解乙酸产甲烷细菌的慢速增长之间的不平衡造成的。有机物(碳水化合物)转化平衡中，主要是通过乙酸、H2、甲酸进行电子传递。如果这些中间产物积累，更多还原性有机物如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等相应积累，使pH下降。所以当细菌增长不平衡时，会引起降解反应链的中断，这就进一步引起有机酸的积累，反过来又抑制微生物的活性。稳定的厌氧降解过程中，电子流的传递是通畅的，各微生物种群数量能够达到平衡，以保证它们之间的协同代谢能顺利进行。如Mcmahon等研究表明：当VFA在稳定的厌氧消化过程中被消耗时，产甲烷细菌的数量大大增加。强化填埋场内的其它条件如渗滤液回灌，也有助于缓解VFA积累对产甲烷细菌的影响。Jiunn-JYILay等研究表明：渗滤液回灌能促进产甲烷细菌的增长，且渗滤液回灌单元内乙酸专性产甲烷活性大大高于甲酸、丙酸和丁酸，而无渗滤液回灌单元内专性乙酸产甲烷活性较甲酸、丙酸和丁酸等的专性产甲烷活性低得多。Iglesias通过3阶段填埋（即第2阶段垃圾待第1阶段垃圾产甲烷后再埋人，第3阶段垃圾待第2阶段垃圾产甲烷后再埋人）研究发现这种填埋方式能有效减少VFA积累对产甲烷的抑制作用，第2,3阶段达到产甲烷阶段的时间比第1阶段要短的多，这可能是由于第1阶段填埋场能对第2,3阶段的渗滤液起到一个厌氧生物滤床的作用。3.3分子生物学技术在填埋场内微生物研究中的应用依赖于微生物培养和分离的传统生物技术使得研究厌氧、生长缓慢的微生物类群面临很大困难，通常分离自一个生境所有微生物的集合并不能真正代表该生境真正的微生物种群。现代分子生物学由于摆脱了对微生物的培养和分离而得到了广泛应用。Pouche等运用传统培养和16SrDNA技术相结合，对垃圾填埋场内的纤维素水解细菌进行了分析；杨晓敏等对垃圾填埋场内厌氧真菌进行18SrRNA的PCR扩增及鉴定证明类似于瘤胃的厌氧降解纤维素真菌存在于填埋场中。黄立南等[22,23〕对广州李坑和狗仔坑填埋场渗滤液中的古细菌群落结构和多样性进行的16SrRNA基因的ARDRA(amplifiedrDNArestrictionanalysis)分析(也称RFLP)表明，两种类型的垃圾填埋场内古细菌群落存在很大的差异；Hason运用寡核昔酸探针技术对城市固体废弃物和污泥的厌氧共消化过程中的互营有机酸降解细菌和产甲烷细菌种群丰度变化进行了研究；Griffin等利用寡核昔酸杂交技术对城市固体废弃物和生物固体厌氧消化启动阶段中产甲烷种群动力学研究等。4应用生物降解机理的填埋场强化控制技术研究传统的垃圾填埋场内垃圾降解是一个无任何控制的自然过程，其仅仅是一个被动接受垃圾的系统。随着填埋场垃圾降解机理研究的逐步深人，促进了人们对加速填埋场稳定的强化控制研究。人们研究了单因素环境条件(如温度、湿度及营养条件)对垃圾降解的影响并开发出了一系列新型的有利于垃圾快速降解的生物反应器填埋场如：回灌型填埋场、两相型填埋场、序批式填埋场等。5展望填埋场内微生物降解机理的研究为加速填埋场内垃圾降解过程的控制提供了理论基础。关于未来填埋场内微生物降解机理的研究方向。主要有以下几点：①运用现代生物技术进一步研究填埋场内垃圾降解微生物的群落结构和演替规律。②垃圾降解限速步骤中高效降解菌株的筛选和培育。③垃圾降解微生物机理在垃圾降解强化控制中的应用研究。