厭氧顆粒污泥實(shí)質(zhì)上是多種微生物的聚集體，水解發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、同型產(chǎn)乙酸菌以及產(chǎn)甲烷菌組成了一個(gè)互營(yíng)共生的微生態(tài)系統。在厭氧顆粒污泥中，厭氧微生物生態(tài)系統不斷演化的過(guò)程受多種因素的影響，如廢水性質(zhì)、污泥負荷率、系統的選擇壓、pH值和溫度等。不同的環(huán)境條件所培養出的污泥的微生物種群結構和空間分布不同，所以有機物降解途徑不同，表現為各個(gè)厭氧顆粒污泥的微環(huán)境差異。

厭氧顆粒污泥微環(huán)境的研究對于揭示厭氧顆粒污泥形成和結構具有重要意義，基于分子生物學(xué)方法的PCR和熒光原位雜交(FISH)等技術(shù)常用于微生物群落和空間分布的分析，但這些技術(shù)難以提供微生物在聚集體中的原位活性信息。而微電極恰可以彌補不足，微電極技術(shù)是20世紀七八十年代興起的一種分析手段，其尖端可低至1μm以下，因此具有很高的空間分辨率，是測定極小體積(微米范圍)對象的微小濃度變化的特殊工具。微電極能夠原位監測顆粒污泥內部底物、中間和最終產(chǎn)物濃度的空間變化，進(jìn)而確定微生物活性和不同種群微生物的空間分布情況。

筆者針對蔗糖、丁酸、乙酸為進(jìn)水底物培養的厭氧顆粒污泥，基于不同有機物厭氧降解途徑差異引起顆粒污泥內部pH值的變化，用實(shí)驗室自制的pH值離子選擇性液膜微電極對3種厭氧顆粒污泥的微結構進(jìn)行研究，并對3種污泥進(jìn)行16S rDNA測序分析其種群結構，同時(shí)測試污泥的產(chǎn)甲烷活性，以揭示顆粒污泥的形成、結構與進(jìn)水組成的關(guān)系。

實(shí)驗裝置

實(shí)驗采用3個(gè)有機玻璃制成UASB反應器，內徑D為80 mm，三相分離器以下高h為520 mm，有效容積約3 L。反應器進(jìn)水管管口向下，廢水泵入后經(jīng)反應器底部的反射作用，能較均勻的與反應區污泥相混合，避免短流和溝流現象。反應器整體置于恒溫室內，將水溫控制在30℃±1℃。

接種污泥及進(jìn)水水質(zhì)

接種污泥為咸陽(yáng)市某造紙廠(chǎng)的IC反應器底部顆粒污泥，污泥VS/TS=70.9%，3個(gè)反應器接種相同量的污泥，反應器內污泥初始濃度為12.3 gVSS·L-1。

UASB反應器進(jìn)水采用自配的合成廢水，1號，2號和3號反應器(以下依次稱(chēng)為R1，R2和R3)分別以蔗糖、乙酸和丁酸為單一碳源，穩定運行后其濃度均為3 gCOD·L-1。R1用NaHCO3調節堿度，其濃度為3 g·L-1，R2和R3的酸均用NaOH中和，控制進(jìn)水pH值不低于6.5；此外，3個(gè)反應器的進(jìn)水中均投加等量的營(yíng)養物質(zhì)、微量元素和酵母粉。

微電極測試系統

UASB穩定運行后，取污泥樣品于微型模擬反應槽，其進(jìn)水水質(zhì)模擬反應器條件，通過(guò)向微型槽吹氮氣保持污泥的厭氧環(huán)境，用pH微電極測量污泥并采集數據。

R2反應器(底物乙酸)中顆粒污泥采用不同測試底物時(shí)內部pH值梯度

討論

由于厭氧消化涉及的水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、同型產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四大微生物種群對有機物的降解會(huì )引起周?chē)h(huán)境中pH值的改變，可以根據厭氧顆粒污泥內部pH梯度推斷不同種群微生物的空間分布，將pH微電極的測試結果與微生物種群分析的直接結果對照，可以得出更為準確的判斷。

根據表1產(chǎn)甲烷活性測試結果和16S rDNA測序分析結果，反應器R1中以蔗糖為底物培養的顆粒污泥內部微生物種群最為豐富，因此微電極測試曲線(xiàn)中顆粒污泥內部pH值從表層到核心先降低(蔗糖水解酸化和VFA產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸)，后升高(利用乙酸產(chǎn)甲烷)的趨勢，這說(shuō)明在該種污泥中，水解酸化和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌分布在污泥外層，而利用乙酸的產(chǎn)甲烷菌分布在污泥核心。反應器R2中以乙酸為底物培養的顆粒污泥內部微生物種群最為簡(jiǎn)單，細菌種群類(lèi)別少，只能以乙酸鹽為底物的甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)和甲烷八疊球菌(Methanosarcina)占古菌的近90%。由于能夠降解蔗糖和丁酸的細菌數量少，所以蔗糖和丁酸為測試底物時(shí)厭氧顆粒污泥內部pH值梯度很小。反應器R3中以丁酸為底物培養的顆粒污泥內部微生物種群較蔗糖污泥簡(jiǎn)單，但比乙酸污泥復雜。在該種污泥中同樣能夠降解蔗糖的細菌數量少，所以蔗糖為測試底物時(shí)厭氧顆粒污泥內部pH值梯度很小。

因此，對照產(chǎn)甲烷活性和16S rDNA的分析結果可知，通過(guò)微電極對厭氧顆粒污泥內部pH值微環(huán)境的測試，可以得到其內部微生物種群的空間分布信息。

結論

采用微電極技術(shù)測試不同進(jìn)水培養的厭氧顆粒污泥，可得到污泥內部微環(huán)境的pH值梯度，并推斷微生物種群的空間分布。微電極分析得到的結果與不同測試底物產(chǎn)甲烷活性結果和16S rDNA測序分析結果相一致，說(shuō)明微電極技術(shù)可作為厭氧顆粒污泥內部微環(huán)境分析和微生物種群空間分布研究的有力工具。