甲烷細菌

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更新時間: 2013-09-04

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甲烷細菌是產生甲烷的菌類,包括種類很多,有桿菌、球菌、也有螺旋菌,都是厭氣性細菌,多數喜中性溫度(25℃左右),少數高溫型,革蘭氏染色反應不定,無芽孢。它們的共同功能是把氫和二氧化碳氧化還原成甲烷。甲烷細菌在沼氣發酵中起重要作用,因為沼氣中甲烷占將近70%,所以對發生物能源有重要意義。

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1 甲烷細菌 -基本簡介

甲烷細菌甲烷細菌

甲烷細菌,英文名:methane bacteria,一類能夠經過發酵產生可燃性氣體甲烷的厭氧性細菌。已知產甲烷細菌約有10多種,主要有產甲烷桿菌、甲烷八疊球菌、產甲烷螺菌和瘤胃甲烷桿菌等。

這類細菌常見於沼澤、池溏污泥中,在食草動物的盲腸、瘤胃中也有大量的產甲烷細菌,常隨糞便排出,所以在沼氣池中可用塘泥和牲畜糞便接種。中國農村不少地區已建起了許多小型沼氣池,利用沼氣做飯、照明,既解決了燃料困難,又減少了環境污染。

為分佈在污泥、泥沼和哺乳動物消化道等的代謝產物為甲烷(甲烷發酵)的細菌。馬氏甲烷球菌(Methanococcus)、甲烷甲烷八疊球菌(Me thano-sarcina)、反芻甲烷桿菌(Methanobacterium)等都是不生孢子的專性厭氧細菌。在核蛋白體RNA鹼順序、細胞壁成分及脂質種類方面與一般細菌有不同處。

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2 甲烷細菌 -基本特性

甲烷細菌烷細菌形態多樣

1.是專性嚴格厭氧菌
甲烷細菌都是專性嚴格厭氧菌,對氧非常敏感,遇氧後會立即受到抑制,不能生長、繁殖,有的還會死亡。

2.生長繁殖特別緩慢
甲烷細菌生長很緩慢,在人工培養條件下需經過十幾天甚至幾十天才能長出菌落。據麥卡蒂(McCarty)介紹,有的甲烷細菌需要培養七八十天才能長出菌落,在自然條件下甚至更長。菌落也相當小,特別是甲烷八疊球菌菌落更小,如果不仔細觀察很容易遺漏。菌落一般圓形、透明、邊緣整齊,在熒光顯微鏡下發出強的熒光。甲烷細菌生長緩慢的原因,是它可利用的底物很少,只能利用很簡單的物質,如CO2、H2、甲酸、乙酸和甲基胺等。這些簡單物質必須由其它發酵性細菌,把複雜有機物分解后提供給甲烷細菌,所以甲烷細菌一定要等到其它細菌都大量生長后才能生長。同時甲烷細菌世代時間也長,有的細菌20分鐘繁殖一代,甲烷細菌需幾天乃至幾十天才能繁殖一代。

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3.都是原核生物
能形成甲烷的細菌都是原核生物,目前尚未發現真核生物能形成甲烷。甲烷細菌有球形、桿形、螺旋形,有的呈八疊球狀,還有的能聯成長鏈狀。

4.培養分離比較困難
因為甲烷細菌要求嚴格厭氧條件,一般培養方法很難達到厭氧,培養分離往往失敗。又因為甲烷細菌和伴生菌生活在一起,菌體大小形態都十分相似,在一般光學顯微鏡下不好判明。美國著名微生物學家——Hungate 50年代培養分離甲烷細菌獲得成功。以後世界上有很多研究者對甲烷細菌進行了培養分離工作,並對Hungate分離方法進行了改良,能很容易地把甲烷細菌培養分離出來。

3 甲烷細菌 -儲存功能

甲烷細菌深海甲烷細菌的顯微圖

甲烷細菌在自然界中分佈極為廣泛,在與氧氣隔絕的環境都有甲烷細菌生長,海底沉積物,河湖淤泥,沼澤地,水稻田以及人和動物的腸道,反芻動物瘤胃,甚至在植物體內都有甲烷細菌存在。

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沼氣發酵液中甲烷細菌的數量可用MPN法計數,測定接種的試管中有無甲烷存在,作為計數的數量指標。甲烷細菌數量與甲烷含量成正比,發酵裝置運行越好,甲烷細菌數量越多。1991年計數了東北製藥總廠用UASB(上流式厭氧污泥床)處理製藥廢水消化液中甲烷細菌數量為4.2×105個·ml-1。

另一方面產甲烷細菌利用乙酸、氫和二氧化碳合成甲烷,也消耗了酸和二氧化碳,甲烷細菌及其伴生菌共同作用使pH穩定在一個適宜範圍內,不會使發酵液中的pH出現對沼氣發酵不利的情況。但當發酵條件控制不好,如溫度,進料負荷,原料中的C:N、pH等可能會出現酸化或液料過鹼;前者較為多見,這樣會嚴重影響甲烷細菌的活動,甚至使發酵中斷。

自然界中的甲烷細菌在同物質的交換過程中可以保存電荷。在微弱電流的影響下,細菌釋放出甲烷小氣泡,在這些氣泡中含有一定數量的電子。布魯斯和他的同事們發現,如果把細菌的一層接到負極上,就會產生弱小電壓,否則他們就被小甲烷氣泡所遮掩住。

隨著甲烷細菌的不斷進化,它學會了依靠甲烷內的其他物質來儲存電能。而且用這種方式儲存的電能在放電時能效很高,一般能達到80%。與之相比,人類發明的所有電力儲存裝置都相形見絀,因為在人類製造的裝置中,大部分能量或被用於克服阻力,或被消耗於燃燒次生電子的化學反應中(甲烷細菌能抑制電能的生物燃燒)。

甲烷細菌儲電引領人類已經走向了電能儲存的新道路。雖然比起現在的碳捕獲與封存技術,這項技術不能算作一種與溫室效應抗爭的好方法,但它能很好地利用甲烷氣體的排放,對保護環境也有一定的好處。更重要的是,它能夠大量儲存太陽能,風能,水能等可再生能源。

然而,現在這項技術還不夠成熟,為了將新技術運用到商業目的,專家們還需要詳細研究甲烷燃燒時二氧化碳排放的過程,因為這直接影響了細菌蓄電的能力,同時還需要了解二氧化碳轉化為電能的換算方法,和最終能以甲烷細菌形式儲存電能的細菌數量。只有對細菌有了足夠的了解,才能研發出減少耗能的蓄電裝置。

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