理论教育 厌氧系统中产甲烷微生态对氨胁迫的响应机制研究

厌氧系统中产甲烷微生态对氨胁迫的响应机制研究

时间:2023-11-06 理论教育 版权反馈
【摘要】:但是,也有文献报道了乙酸营养型产甲烷菌在高氨浓度下具有较强的胁迫耐受性。为探讨甲烷八叠球菌氨胁迫耐受力的形成机理,分析了不同氨浓度下功能微生物的形态。本研究中的功能产甲烷菌在系统发育学上与嗜热甲烷八叠球菌Methanosarcina thermophila最为接近。因此,多细胞聚集式生长的Methanosarcina sp.可能以牺牲细胞的生长速率为代价,来抵抗环境胁迫,保护单细胞免受高浓度毒性物质的抑制。而在高氨浓度下,甲烷八叠球菌则始终以多聚体形式存在。

厌氧系统中产甲烷微生态对氨胁迫的响应机制研究

通常认为,当TAN超过214~286 mmol/L时,乙酸营养型的甲烷鬃毛菌Methanoseata sp.和甲烷八叠球菌Methanosarcina sp.对氨抑制变得敏感[22,117]。但是,也有文献报道了乙酸营养型产甲烷菌在高氨浓度下具有较强的胁迫耐受性。Fotidis等人[120]发现,当采用FAN 36 mmol/L下长期驯化的污泥作为接种物时,高温厌氧消化反应器在TAN达到500 mmol/L(pH 7.3,FAN=31 mmol/L)时仍能稳定运行,且甲烷八叠球菌Methanosarcina sp.为优势微生物种群。在中温UASB反应器内,产甲烷菌可耐受429 mmol/L TAN(pH 8.1,FAN=54 mmol/L)的氨胁迫,且产甲烷主导途径为乙酸发酵型,而其接种物来自背景氨浓度较高的垃圾填埋场渗滤液[118]。Westerholm等人[77]也发现,在TAN高达557 mmol/L(pH 7.8)的中温厌氧消化反应器内,Methanosarcina sp.通过乙酸发酵型途径产生甲烷。

本实验的研究结果则显示,当突然暴露在TAN为500 mmol/L(pH 6.5~7.6)的环境中时,Methanosarcina sp.显示了一定的氨胁迫耐受力。在极不稳定的胁迫环境中,Methanosarcina sp.通过乙酸发酵型甲烷化途径降解乙酸,其最大产甲烷活力达到0.099~0.104 mol/(molacetate·d)。

为探讨甲烷八叠球菌氨胁迫耐受力的形成机理,分析了不同氨浓度下功能微生物的形态。发现在较高的乙酸浓度和氨浓度下,优势种群Methanosarcina sp.呈现多细胞聚集体形态,其直径约10~80μm。有研究报道,Methanosarcina sp.可通过细胞聚集来抵抗高盐度等环境压力[206,207],由此推测,其氨胁迫耐受性亦可能来自多细胞聚集式生长。本研究中的功能产甲烷菌在系统发育学上与嗜热甲烷八叠球菌Methanosarcina thermophila最为接近。Methanosarcina thermophila的单细胞呈直径1μm左右的球形,可形成大型细胞聚集体,其直径可超过100μm。本研究中观察到的最小聚集体的直径为10μm,其中已包含了上百个单细胞。球形单细胞形态和多细胞聚集体的形成,可减小细胞与外界环境接触的表面积[7],降低氨在单细胞中的扩散速率,而在细胞多聚体内部可能形成局部低氨浓度区域。因此,可在短期内削弱环境剧烈变化对细胞的影响,Methanosarcina sp.由此可获得一定的氨胁迫耐受力。(www.daowen.com)

在特定生长环境下,甲烷八叠球菌细胞能够合成和分泌异多聚糖,以形成胞外聚集物(或称为细胞外黏合层),促使细胞聚集并起到保护作用[128,206]。异多聚糖的合成需要消耗碳基质,其耗碳量达到细胞内总碳量的12%,同时也需要消耗能量[128]。因此,多细胞聚集式生长的Methanosarcina sp.可能以牺牲细胞的生长速率为代价,来抵抗环境胁迫,保护单细胞免受高浓度毒性物质的抑制。

在低氨浓度培养实验中,还观察到多细胞聚集体的解聚现象。其影响因素可能包括:高浓度乙酸消耗过程中某些营养物质(如微量元素)的匮乏;某些产物的累积或者能量供应不足等[207]。而在高氨浓度下,甲烷八叠球菌则始终以多聚体形式存在。

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