你知道排水管道中生物膜的菌群结构和分布特征吗？

2.2 MA分类及代谢机理

MA是专性厌氧古菌，能够以乙酸、H₂/CO₂、甲基类化合物为底物合成甲烷，其代谢途径也相应地分为乙酸途径、CO2还原途径和甲基裂解途径。MA属于广古细菌门，现已鉴定出的菌株可分为7目、15科、35属、150多个有效种(见表2)。

表2 MA菌群分类

自然界中甲烷产生量的67%来自于乙酸途径，SUN等也发现，管道生物膜中90%的MA都属于专性乙酸营养型Methanosaeta，占据绝对优势。乙酸营养型MA通过裂解乙酸生成乙酰辅酶A，一部分氧化为CO₂，另一部分被最终还原为CH₄(见图3)。

图3 乙酸营养型MA(Methanosarcina和Methanosaeta)代谢途径

3 SRB和MA的底物竞争关系

SRB和MA是参与管道内生化反应过程的重要菌群，其相互作用关系对于管道废气控制十分关键。污水中的复杂有机物经产酸细菌转化成挥发性脂肪酸(volatile  fatty acid,  VFA)，再由产乙酸菌进一步生成乙酸、二氧化碳和氢气。SRB能同时氧化乙酸和氢气，通过异化作用维持生命活动，在此过程中硫酸盐被还原成硫化氢。MA则利用乙酸和氢气产生甲烷。

由于SRB和MA均可以利用乙酸、氢气作为基质，因此两者虽然能够共存，却依然存在竞争关系。目前涉及SRB和MA竞争关系的研究多针对污水或污泥处理中的厌氧消化工艺，排水管道中的相关研究则较少，图4给出了管道中SRB和MA主要参与的生化反应及底物竞争关系。

图4 SRB与MA的底物竞争关系

从热力学角度看，硫酸盐还原反应自由能的绝对值更大，反应更容易进行(见表3)。

表3 硫酸盐还原与产甲烷反应过程

从可利用的基质范围来看，MA只能利用乙酸、H₂、CO₂和一碳有机物(如甲醇)，而SRB是代谢谱较宽的广食性微生物。乙酸和氢气都可以被SRB、MA所利用，但由于70%以上的甲烷来自于MA对乙酸的分解，因此乙酸在MA对SRB的竞争关系上是尤为重要的底物。从动力学角度看，当SRB与MA均以乙酸为基质时，SRB的最大比增长速率和底物亲和力更高(见表4)。研究表明，SRB利用电子供体的优先顺序是乳酸、丙酸、丁酸、乙酸，氢营养型SRB对硫酸盐的亲和力也远大于乙酸营养型SRB，因此乙酸营养型SRB在SRB总菌群中的相对优势并不明显。GUISASOLA等的实验结果显示，硫酸盐还原过程仅利用了38%的乙酸盐。

表4 乙酸营养型SRB与乙酸营养型MA比较

总体上，排水管道生物膜中SRB竞争底物的能力强于MA、更易于繁殖，但实际管道内的生化反应过程较为复杂，与实验室纯培养结果有一定差异，其生物膜是多种类MA和SRB的混合相，仍需考虑其种内的竞争关系。

4 SRB和MA的调控因素及方法

影响SRB和MA代谢活性和底物竞争能力的主要环境因素包括pH、溶解氧、水力条件、底物浓度、抑制剂等，实际工程中往往利用这些影响因素对H₂S、CH₄的产生及排放进行控制(见表5)。

表5 管道H₂S 和 CH₄常用控制技术

然而，由于SRB和MA在管道内特殊微环境下的竞争关系趋于复杂化，能够共存并分别进行各自的产气反应，因此，有必要总结各管道废气控制技术对SRB、MA的不同抑制效果，从而为城市排水管网运行维护提供理论支撑。

4.1 pH

管道中生活污水的pH在7.2~8.5之间，与SRB、MA的最适pH范围(7.0~7.5)相近。pH会影响硫化物在水中的存在状态，从而间接影响SRB和MA的活性。硫化物在废水中的存在形式主要有S2−、HS−及分子态的H₂S，其中起主要抑制作用的是分子态的H2S。MA受液相中游离的H2S的抑制作用更强，  H2S能接近并穿过菌体细胞膜，进而破坏其蛋白质，因此产甲烷菌在较低的pH下丧失活性。而在pH为2.5~4.5的高酸性环境下SRB  仍能进行异化硫酸盐还原反应，因此SRB能逐渐适应低pH并在竞争中占据优势。

投加碱度是控制管道H₂S的常用方法，其原理是促进H₂S的电离平衡向右移动，同时抑制SRB菌体本身的活性。高pH对MA抑制效果较强，抑制时间更长，研究表明，持续2  h保持管道生物膜的pH为9.0，即可连续数周控制甲烷的产生在25%以下;而只有将pH提高至10.5时才能抑制SRB的生长，且1周后SRB的活性即得到恢复。