2.2 MA分類及代謝機理
MA是專性厭氧古菌，能夠以乙酸、H2/CO2、甲基類化合物為底物合成甲烷，其代謝途徑也相應(yīng)地分為乙酸途徑、CO2還原途徑和甲基裂解途徑。MA屬于廣古細菌門，現(xiàn)已鑒定出的菌株可分為7目、15科、35屬、150多個有效種(見表2)。
表2 MA菌群分類
自然界中甲烷產(chǎn)生量的67%來自于乙酸途徑，SUN等也發(fā)現(xiàn)，管道生物膜中90%的MA都屬于專性乙酸營養(yǎng)型Methanosaeta，占據(jù)絕對優(yōu)勢。乙酸營養(yǎng)型MA通過裂解乙酸生成乙酰輔酶A，一部分氧化為CO2，另一部分被最終還原為CH4(見圖3)。
圖3 乙酸營養(yǎng)型MA(Methanosarcina和Methanosaeta)代謝途徑
3 SRB和MA的底物競爭關(guān)系
SRB和MA是參與管道內(nèi)生化反應(yīng)過程的重要菌群，其相互作用關(guān)系對于管道廢氣控制十分關(guān)鍵。污水中的復(fù)雜有機物經(jīng)產(chǎn)酸細菌轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid, VFA)，再由產(chǎn)乙酸菌進一步生成乙酸、二氧化碳和氫氣。SRB能同時氧化乙酸和氫氣，通過異化作用維持生命活動，在此過程中硫酸鹽被還原成硫化氫。MA則利用乙酸和氫氣產(chǎn)生甲烷。
由于SRB和MA均可以利用乙酸、氫氣作為基質(zhì)，因此兩者雖然能夠共存，卻依然存在競爭關(guān)系。目前涉及SRB和MA競爭關(guān)系的研究多針對污水或污泥處理中的厭氧消化工藝，排水管道中的相關(guān)研究則較少，圖4給出了管道中SRB和MA主要參與的生化反應(yīng)及底物競爭關(guān)系。
圖4 SRB與MA的底物競爭關(guān)系
從熱力學(xué)角度看，硫酸鹽還原反應(yīng)自由能的絕對值更大，反應(yīng)更容易進行(見表3)。
表3 硫酸鹽還原與產(chǎn)甲烷反應(yīng)過程
從可利用的基質(zhì)范圍來看，MA只能利用乙酸、H2、CO2和一碳有機物(如甲醇)，而SRB是代謝譜較寬的廣食性微生物。乙酸和氫氣都可以被SRB、MA所利用，但由于70%以上的甲烷來自于MA對乙酸的分解，因此乙酸在MA對SRB的競爭關(guān)系上是尤為重要的底物。從動力學(xué)角度看，當(dāng)SRB與MA均以乙酸為基質(zhì)時，SRB的最大比增長速率和底物親和力更高(見表4)。研究表明，SRB利用電子供體的優(yōu)先順序是乳酸、丙酸、丁酸、乙酸，氫營養(yǎng)型SRB對硫酸鹽的親和力也遠大于乙酸營養(yǎng)型SRB，因此乙酸營養(yǎng)型SRB在SRB總菌群中的相對優(yōu)勢并不明顯。GUISASOLA等的實驗結(jié)果顯示，硫酸鹽還原過程僅利用了38%的乙酸鹽。
表4 乙酸營養(yǎng)型SRB與乙酸營養(yǎng)型MA比較
總體上，排水管道生物膜中SRB競爭底物的能力強于MA、更易于繁殖，但實際管道內(nèi)的生化反應(yīng)過程較為復(fù)雜，與實驗室純培養(yǎng)結(jié)果有一定差異，其生物膜是多種類MA和SRB的混合相，仍需考慮其種內(nèi)的競爭關(guān)系。
4 SRB和MA的調(diào)控因素及方法
影響SRB和MA代謝活性和底物競爭能力的主要環(huán)境因素包括pH、溶解氧、水力條件、底物濃度、抑制劑等，實際工程中往往利用這些影響因素對H2S、CH4的產(chǎn)生及排放進行控制(見表5)。
表5 管道H2S 和 CH4常用控制技術(shù)
然而，由于SRB和MA在管道內(nèi)特殊微環(huán)境下的競爭關(guān)系趨于復(fù)雜化，能夠共存并分別進行各自的產(chǎn)氣反應(yīng)，因此，有必要總結(jié)各管道廢氣控制技術(shù)對SRB、MA的不同抑制效果，從而為城市排水管網(wǎng)運行維護提供理論支撐。
4.1 pH
管道中生活污水的pH在7.2~8.5之間，與SRB、MA的最適pH范圍(7.0~7.5)相近。pH會影響硫化物在水中的存在狀態(tài)，從而間接影響SRB和MA的活性。硫化物在廢水中的存在形式主要有S2−、HS−及分子態(tài)的H2S，其中起主要抑制作用的是分子態(tài)的H2S。MA受液相中游離的H2S的抑制作用更強， H2S能接近并穿過菌體細胞膜，進而破壞其蛋白質(zhì)，因此產(chǎn)甲烷菌在較低的pH下喪失活性。而在pH為2.5~4.5的高酸性環(huán)境下SRB 仍能進行異化硫酸鹽還原反應(yīng)，因此SRB能逐漸適應(yīng)低pH并在競爭中占據(jù)優(yōu)勢。
投加堿度是控制管道H2S的常用方法，其原理是促進H2S的電離平衡向右移動，同時抑制SRB菌體本身的活性。高pH對MA抑制效果較強，抑制時間更長，研究表明，持續(xù)2 h保持管道生物膜的pH為9.0，即可連續(xù)數(shù)周控制甲烷的產(chǎn)生在25%以下;而只有將pH提高至10.5時才能抑制SRB的生長，且1周后SRB的活性即得到恢復(fù)。
