污泥处理的厌氧微生物的产能代谢

厌氧微生物的产能代谢主要包括两种类型，即发酵和无氧呼吸。

（1）发酵

发酵（fermentation）是某些厌氧微生物在生长过程中获得能量的一种方式，以有机物氧化分解的中间代谢产物为最终电子受体的氧化还原过程。在发酵过程中，可被利用的底物通常为单糖或某些双糖，亦可为氨基酸等。其最终产物是有机酸、醇、CO2、H2及能量。

1）糖酵解途径　

糖酵解（embdem-meyerhof-parnas，EMP）主要分为2个步骤。步骤1包括一系列不涉及氧化还原反应的预备性反应，主要是通过加入能量使葡萄糖活化，并将六碳糖分解为三碳糖，其结果是生成一种主要的中间产物3-磷酸甘油醛，并消耗2molATP；步骤2是通过氧化还原反应，产生4molATP、2molNADH H 和2mol丙酮酸。

糖酵解途径具有以下重要意义。

Ⅰ.其产能方式称为底物水平磷酸化，分别发生在1，3-二磷酸甘油酸与2-磷酸烯醇式丙酮酸两处。所谓底物水平磷酸化是指底物被氧化过程中，在中间代谢产物分子上直接形成比高能焦磷酸键含能更高的高能键，并可直接将键能交给ADP使之磷酸化，生成ATP的这一过程。底物水平磷酸化是进行发酵的微生物获取能量的唯一方式。1mol葡萄糖经酵解后净产2molATP。

Ⅱ.微生物通过发酵可将葡萄糖转变成乳酸、丙酸、乙醇、丁醇等多种代谢产物，糖酵解是产能的主要途径，产生的能量作为各种发酵产物产生的主要甚至唯一的能量来源。

② 丙酮酸是重要的中间代谢物　

糖酵解的终产物是丙酮酸，通过丙酮酸的进一步发酵，可产生各种发酵产物，并可通过NADH H 的氧化，使机体内NADH H 含量保持在一定范围内，从而保证发酵的正常进行。

2）主要发酵类型　

微生物发酵形式多样，普遍存在的是以糖酵解为主体的分解代谢，其末端产物则各不相同，发酵类型是根据主要末端产物命名的。微生物机体内调控某一发酵类型中末端产物种类及数量的原因主要有两点。其一，氧化反应必须与另一个还原反应相偶联，从而维持NADH H /NAD 在一定范围内，这种偶联是通过辅酶在两者之间反复地还原和氧化，不断周转而完成的；其二，发酵产能是微生物的目的所在，微生物可根据能量需求状况来调整高产能发酵产物的转化率。表4-5为碳水化合物发酵的主要类型。

发酵在废水和污泥厌氧消化过程中起着非常重要的作用，甚至此过程比产甲烷过程更为关键。国内外的研究表明，在厌氧消化过程中主要存在丙酸型发酵和丁酸型发酵两种类型。这两种发酵类型的分类与生物化学中的分类有一定联系，但也有所差别。

① 丙酸发酵。

丙酸发酵以糖酵解产生的丙酮酸为起点，其中包括部分TCA循环。主要参与的细菌是丙酸杆菌属。此类型发酵的特点是气体（CO2）产量很少，甚至有时无气体产生，主要发酵末端产物为丙酸和乙酸。总反应式如式所示：

在废水厌氧处理过程中，含氮有机化合物（如明胶、酵母膏、肉膏等）和难降解碳水化合物（如纤维素）常呈丙酸型发酵（末端产物与丙酸型发酵类似）。丙酸型发酵在厌氧生物处理过程中不够理想，这是因为末端产物丙酸不易转化为可被产甲烷菌利用的底物，易出现丙酸积累。当丙酸出现大量的积累，会导致厌氧反应器内的pH值的大幅度下降，从而因产甲烷菌失去活性而导致厌氧反应器的运行失败。

② 丁酸发酵。

丁酸的循环机制起着重要作用，一方面使糖酵解途径及产乙酸过程中释放的NADH H 通过与丁酸产生相偶联而得以氧化；另一方面还可以减少酸性末端。解糖梭状芽孢杆菌进行此类反应。

尽管如此，当pH值降至4.5以下时，丁酸循环机制被阻断，转为形成中性末端产物的丙酮丁醇发酵。

该发酵类型与废水厌氧生物处理过程中的丁酸型发酵类似，许多研究结果表明，含可溶性碳水化合物（如葡萄糖、蔗糖、淀粉、乳糖等）废水的发酵常出现丁酸型发酵，发酵中主要的末端产物为丁酸、乙酸、二氧化碳、氢和及少量丙酸。当运行管理不当时，丙酸含量显著增加，甚至有可能转化为丙酸型发酵。

③ 混合酸发酵。

由于在发酵产物中存在许多有机酸，因此称为混合酸发酵。进行该类型发酵的主要是一些肠道细菌，如志贺菌属、埃希菌属等。这些细菌是一些兼性厌氧菌，在有氧情况下进行呼吸，在缺氧情况下进行发酵。

埃希菌由于存在甲酸氢解酶，可将甲酸分解为氢和二氧化碳，因此，大肠杆菌可以产气，而志贺菌等由于不存在甲酸氢解酶，故不能将甲酸分解为氢和二氧化碳，因此不产气。可以通过产酸产气试验将一些不产酸以及产酸不产气的细菌区分开来。

有些细菌如产气肠杆菌在发酵时，除了将一部分丙酮酸按混合酸发酵的类型进行外，大部分丙酮酸先通过两个分子的缩合成为乙酰乳酸，再脱羧为3-羟基丁酮，然后再还原为丁二醇。

3-羟基丁酮在碱性条件下被空气中的氧气氧化为乙二酰。根据乙二酰能与胍基作用生成红色化合物的特点，可以测定3-羟基丁酮的存在，这就是V.P.试验为阴性，而产气肠杆菌V.P.试验为阳性。此外，大肠杆菌由于产酸较多，所以pH值低于4.5，用甲基红作指示剂可显出，而产气肠杆菌的产物丁二醇是中性化合物，因此通过V.P.试验和甲基红试验可对两种细菌进行鉴别。

④ 乙酸发酵　

进行乙酸发酵的微生物主要是酵母菌，如酿酒酵母，其发酵葡萄糖的末端产物仅有乙醇和CO2。

有些厌氧细菌亦可进行乙酸发酵，但其代谢途径和酵母菌不同。例如螺旋体属发酵碳水化合物，在代谢中与梭状芽孢杆菌属类似。发酵葡萄糖生成的主要末端产物为乙酸、乙醇、氢和二氧化碳。螺旋体属为专性或兼性厌氧微生物，存在于废水和活性污泥中。

乙醇型发酵与细菌性乙醇发酵相似，主要终产物为乙酸、乙醇、丁酸、氢、二氧化碳及极少量的丙酸。

乙醇型发酵的末端产物极为理想，丙酸产物很少，且乙醇很容易转化为产甲烷菌可利用的底物（乙酸、CO2和H2）。

（2）无氧呼吸

进行无氧呼吸的厌氧微生物生活在河、湖、池塘底部淤泥等缺氧环境中，以硝酸根、碳酸根、硫酸根等作为最终电子受体的氧化还原过程，进行有机物的生物氧化。最终产物是N2、H2S、CH4、CO2、H2O及能量。

1）硝酸盐呼吸　

硝酸盐呼吸也称异化型硝酸盐还原。缺氧条件下，有些细菌能以有机物为供氢体，以硝酸盐作为最终电子受体，这类细菌称为硝酸盐还原菌。不同的硝酸盐还原菌将硝酸根还原的末端产物不同，如N2（包括N2O、NO）、NH3和亚硝酸根。

通过硝酸盐呼吸将硝酸根还原为气态N2（包括N2O、NO）的过程称为反硝化作用。能够进行反硝化作用的细菌称为反硝化细菌，主要有反硝化假单胞菌、铜绿假单胞菌、施氏假单胞菌、地衣芽孢杆菌、反硝化副球菌等，其中某些菌可兼性好氧。这些细菌可将有机底物彻底氧化为CO2，同时伴随脱氢反应，如式所示：

NADH H 经电子传递体系将最终电子受体N[插图]还原为N2，同时伴随能量的产生。

亚硝酸对细菌来说是毒性物质，因此它的积累不利于细菌生长。对于大多数细菌来说，亚硝酸盐还原酶是一个诱导酶，亚硝酸盐的产生将诱导产生亚硝酸盐还原酶，并迅速将亚硝酸盐还原产生末端产物，如反硝化副球菌将亚硝酸根转化为N2；而大肠埃希菌将硝酸根转化为NH3。对于无亚硝酸盐还原酶合成机制的硝酸盐还原细菌则只能在有限的亚硝酸盐浓度范围内利用硝酸盐。

硝酸盐还原作用给农业生产带来较大的损失。一般情况下，施入水稻田里的氮肥由于硝酸盐还原作用而损失1/2。但是，从自然界物质循环角度考虑，硝酸盐还原作用是有利的。在废水处理中，为降低水中含氮量所采取的生物脱氮法就是基于反硝化作用原理。

2）硫酸盐呼吸　

硫酸盐呼吸常称为异化型硫酸盐还原或反硫化作用。参与细菌主要为无芽孢的脱硫弧菌属和形成芽孢的脱硫肠状菌属，均为专性厌氧、化能异养型细菌。大多数硫酸盐还原菌不能利用葡萄糖作为能源，而是利用丙酮酸和乳酸等其他细菌的发酵产物。乳酸和丙酮酸等作为供氢（电子）体，经无NAD 参与的电子传递体系将硫酸根还原为H2S。

3）碳酸盐呼吸　

碳酸盐呼吸即异化型碳酸盐还原，亦可称作产甲烷作用，过去人们常误称作甲烷发酵。进行碳酸盐还原的细菌称为产甲烷细菌。

产甲烷菌专性厌氧，仅能以甲酸、甲醇、甲胺、乙酸和H2/CO2作为底物（供氢体）。产甲烷菌不含N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡萄糖胺组成的肽聚糖，对青霉素（可阻止细胞壁合成）不敏感。因而在产甲烷菌的分离中，可利用这一特性抑制非产甲烷菌的生长，达到分离产甲烷菌的目的。

产甲烷菌除存在于缺氧的沼泽地以及河、湖、池塘的淤泥中外，在反刍动物的瘤胃中也含有。产甲烷菌在废水、污泥厌氧生物处理中起重要作用，底物经发酵细菌转化为乙酸、甲酸、甲醇、甲胺及H2/CO2后，在产甲烷菌的厌氧呼吸下生成CH4和CO2。在废水厌氧生物处理中常见的产甲烷菌有产甲烷八叠球菌属、产甲烷杆菌属、产甲烷短杆菌属、产甲烷球菌属、产甲烷螺菌属及产甲烷丝菌属等。