1.1.2　互营氧化菌群

发酵产酸大多由产芽孢类细菌完成，如梭菌科（Clostridiaceae）、链球菌科（Streptococcaceae）、芽孢乳杆菌科（Sporolactobacillaceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）以及嗜热厌氧杆菌属（Thermoanaerobacter）等，得到的丁酸、丙酸、乳酸及琥珀酸等产物被用于产乙酸（图1-1）。在标准状态下（25℃），丙酸和丁酸氧化是吸能反应（ΔG°′＞0），热力学上不能自发进行，只有通过嗜氢型产甲烷菌来降低氢分压，代谢才得以进行[43]。

丙酸氧化菌大多隶属δ-变形菌纲（Deltaproteobacteria）、互营杆菌目（Syntrophobacterales）[44]，包括互营杆菌属（Syntrophobacter）、史密斯氏菌属（Smithella）和发酵肠状菌属（Pelotomaculum）等。丙酸氧化菌常与伴生菌形成互营氧化菌群，如Syntrophobacter pfennigii[45]、Syntrophobacter wolinii[46]伴生甲烷菌为Methanospirillum hungatei、Smithella propionica伴生菌为Methanospirillum hungatei或Methanogenium sp.[47]、Pelotomaculum schinkii伴生菌为Methanospirillum hungatei[48]；嗜热型氧化菌Pelotomaculum thermopropionicum伴生菌为Methanothermobacter thermautotrophicus[49]。丁酸氧化菌有两类，一类隶属梭菌目、互营单胞菌科（Syntrophomonadaceae），如Syntrophomonas wolfei[50]、S.bryantii[51]、S.cellicola[52]、S.zehnderi[53]，伴生菌为Methanospirillum hungatei或Methanobacterium formicicum。另一类隶属Syntro-phobacterales[54]。从互营氧化代谢途径来看，除Smithella propionica通过歧化途径外，丙酸氧化菌大都通过甲基丙二酸单酰辅酶A代谢途径（MMC途径）产乙酸，其中琥珀酸氧化为延胡索酸时存在反向电子传递；而丁酸氧化菌通过β氧化途径（β-oxidation）产乙酸，丁酰辅酶A氧化时存在反向电子传递，产生的氢被甲烷菌利用后，代谢才能进行[55]。

互营氧化菌群为克服热力学障碍，通过缩短种间距离、加快电子转移及提高基因表达等措施，强化互营氧化产甲烷代谢。如Grotenhuis等[56]观察到颗粒污泥的形成使氧化菌群种间距离缩短到了2μm。共沉淀[57]、投加甲烷菌[58]等措施同样利用缩短种间距离来强化产甲烷代谢。氢和甲酸是电子传递的载体，由于在溶解度和扩散率方面的差异，甲酸适宜长距离传递，氢气则以短距离传递为主[59]。电子载体在不同的互营氧化菌群间有所不同。如DONG等[60]将丁酸互营氧化菌Syntrophomonas bryantii与嗜氢及嗜甲酸型Methanospirillum hungatei培养甲烷产率最高，与嗜甲酸型Methanobacterium formicicum培养时产率下降，而与嗜氢型Methanobrevibacter arboriphilus培养不能生长。Syntrophomonas wolfei与Methanobrevibacter arboriphilus形成的菌群则以种间氢传递为主[61]。除了氢和甲酸电子载体外，直接电子传递也被证实。如Shimoyama等[62]发现丙酸氧化菌Pelotomaculum thermopropionicum通过鞭毛介导与Methanothermobacter thermautotrophicus的电子传递。Gorby等[63]观察到电子通过纳米线通道直接传递。而胞外导电性的细胞色素C介导了乙醇互营氧化地杆菌的直接电子传递[64]。稻田土中磁铁矿纳米颗粒在地杆菌属介导下，加快了Syntrophomonadaceae与Methanobacteriales的丁酸互营氧化电子传递[65]。由此可见，互营氧化菌群电子传递既可以借助于氢和甲酸载体实现，也可以依靠鞭毛、纳米线、细胞色素C或导电介质等直接传递[66]，最终提高产甲烷效率。在稻秸厌氧发酵实验中，发现投加产甲烷污泥使得Methanosaeta与互营氧化菌Syntrophobacter或Pelotomaculum丰度提高，提高了发酵效率，缩短了产甲烷的延滞期[67]。在半连续秸秆发酵实验中，嗜氢型Methanobacteriales数量增加，与丙酸氧化菌（Syntrophobacter和Pelotomaculum）、丁酸氧化菌（Syntrophus和Syntrophomonas）形成功能菌群。随着有机负荷提高，Methanobacteriales丰度降低，互营氧化菌含量显著下降，导致体系发生酸化[68]。

基因表达水平的变化丰富了菌群强化机制的内涵。如Shimoyama等[62]在研究丙酸互营氧化菌直接电子传递时，发现鞭毛FliD接触后，提高了产甲烷基因的表达水平，加快了产甲烷的启动速度。Methanococcus形成菌群后，产甲烷关键酶基因（mtrH、mcrA和fwdD）及利用氢的基因在转录水平显著提高[69]。Methanothermobacter thermoautotrophicus和Syntrophothermus lipocalidus形成嗜热丁酸互营氧化菌群后，甲基辅酶M还原酶由MRI替代了纯培养时的MRII来催化甲烷生成[70]。