厭氧產能微生物

本研究為評估污泥與米糠複合基質用於產能的可行性，而此產能所指的即 是產氫氣及產甲烷的總能量。在本研究試程中氫氣的產生主要在厭氧醱酵反應 中利用產氫菌所產生的，而甲烷氣體主要為甲烷菌進行試程中甲烷化反應所生 成的；因此，必須瞭解產氫菌及甲烷形成菌的生長特性，才能有效發揮微生物 產能的作用。

一、厭氧產氫微生物

早期Toerien(1967)、Iannotti(1973)等人曾利用 Vibrio succinogenes 菌株，將 葡萄糖等碳水化合物，於厭氧環境下，醱酵產生氫氣。另外 Karübe(1982)則將 Clostridium butyricum 菌種利用固定化技術，於厭氧酸化過程之酸形成相中，亦 能有效產生氫氣。因此，由過去許多的研究中發現，有很多微生物均具有產氫 能力，如表2-3(Das & Veziroğlu, 2001)。但因各產氫菌生理特性的不同，其產氫 能力也不同，對於環境的要求亦有所差異(林秋裕、林明正、陳晉照，1999)。

表2-3 厭氧產氫微生物之種類(Das & Veziroğlu, 2001)

Broad classification(分類) Name of microorganisms(有機微生物) Scenedesmus obliquus

Chlamydomonas reinhardii Green algae

(綠藻)

Chlamydomonas movewusii Anabaena azollae

Anabaena CA Anabaena variabilis Anabaena cylindrical Nostoc muscorum Nostoc spongiaeforme Heterocystous

Westiellopsis prolifica Plectonema boryanum Oscillotoria Miami BG7 Oscillotoria limnetica Synechococcus sp.

Alphanothece halophytico Mastidocladus

Cynobacteria (藍綠菌)

Nonheterocystous

Phormidium valderianum Rhodobater sphaeroides Rhodobater capsulatus Rhodobater sulidophilus

Rhodopseudomonas sphaeroides Rhodopseudomonas palustris Rhodopseudomonas capsulata Rhodospirillum rebnum

Chromatium sp. Miami PSB 1071 Chlorobium limicola

Chloroflexu aurantiacus Thiocapsa roseopersicina Photosynthetic bacteria

(厭氧光合細菌)

Halobacterium halobium Enterobacter aerogenes Enterobacter cloacae Clostridium butyricum Clostridium pasteurianum Desulfovibrio vulgaris Magashaera elsdenii Citrobacter intermedius Fermentative bacteria

(厭氧醱酵菌)

Escherichia coli

根據Yokoi, Ohkawara, Hirose, Hayashi and Takasaki(1995)的研究指出，產氫 菌主要分為光合作用微生物(Photosynthetic microorganisms)和醱酵產氫微生物 (Fermentative hydrogen-producing microorganisms)二大類。光合作用微生物部份 包括：紫色非硫菌、藻類等。醱酵產氫微生物又依其對氧需求性分為兼性厭氧 菌(如 Bacillus、Enterobacter aerogenes 等)，及絕對厭氧菌(如 Clostridium 等)。

由Yokoi, Maeda, Hirose, Hayashi and Takasaki (1997)及 Odom and Wall(1983)的 研究中均顯示：目前研究以紫色非硫菌產氫效率最佳，其產氫量為厭氧菌的 1.5-2.0 倍，但需要照光及靜置的環境中生長；而醱酵產氫微生物中以 Clostridium 菌屬為主，大部分都可以產氫，其中 Clostridium butyricum 菌種產氫更是可觀，

醱酵產物為butyrate、butanol 及 Acetone。表 2-4 為各種不同產氫菌進行厭氧醱 酵之產物(Göttschalk, 1986)。

表2-4 各種不同菌種進行醱酵代謝之產物(Göttschalk, 1986)

醱酵種類 菌種 產氫量及產物

Zymomonas anaerobica Sarcina ventriculi

Erwinia amylovora

少量氫氣

Escherichia coli

丁二醇

Enterbacter aerogenes

中量的氫氣

Clostridium 菌最初由學者 Prazmoski(1880)發現，其外型屬於短桿狀，適合 生長於厭氧、中溫(30-37℃)及中性的環境下(Minton, 1989)，然而在不適合生長 的環境下會產生孢子而進入休眠的狀態。孢子對乾燥、毒性物質、輻射線以及 高 熱 等 均 具 有 較 強 的 抵 抗 能 力 ， 而 其萌 發 需 要 一 定 的 條 件 ， 可 分 為 激 活 (activation)、萌發(germination)及出生菌體(outgrowth)等三個過程(李國鏞、游若 荻，1992)。因此我們可利用此菌種孢子的特性，有效利用加熱、加酸/鹼等方法，

來去除不利產氫之非孢子形成菌種(如甲烷菌)，而將 Clostridium 菌種自污泥中 分離。

而在氧化還原電位方面，Clostridium 菌種適宜生長條件範圍在-400~ -200 mV 之間，若低於-500 mV 以下則進行甲烷化反應，若高於-150 mV 以上，因為 存有少量氧化性物質，產氫菌將會受到抑制，因此可在反應槽中加入硫化鈉 (sodium sulfide)等還原劑，維持其所需的生長環境(Hippe, 1986; Hallenbeck, 1983;

Kumar, 1995)。

微生物的產氫能力差異極大，雖然梭菌屬 Clostridium 的產氫能力已廣受注 目，且此菌對有機物的利用亦相當廣泛，但梭菌屬的細菌之高產氫能力，常對 有機物的選擇有其專一性(曾怡禎，2002)。

二、厭氧甲烷化微生物

甲烷菌(methanogens)為執行甲烷化作用之專責微生物，為一類相當特別的 古細菌。甲烷生成菌為絕對厭氧的微生物，所需生長環境亦較酸化菌嚴格，目 前研究中能夠被產甲烷菌利用的基質而生成甲烷的有：二氧化碳(CO2)、甲酸 (HCOOH)、一氧化碳(CO)、甲醇(CH3OH)、甲胺(CH3NH3)、二甲胺、三甲胺、

及醋酸(CH3COOH)等。典型甲烷菌能在厭氧環境下利用乙酸之 CH3 基形成甲 烷，僅有少數幾種甲烷菌有能力利用乙酸之羧基(carboxyl group)形成 CO2；另 外甲烷亦可以由厭氧還原程序利用H2和CO2所產生。而其中二氧化碳則幾乎能

被所有產甲烷菌利用，最主要甲烷化反應是由甲烷生成菌二個族群來進行，即 碳所生成的(Mackie & Bryant, 1981)，如圖 2-1 所示。

根據美國ATCC (American Type Culture Collection, 1989)的分類，甲烷生成 菌之種類可由其型態之特徵區分為四屬：(1)桿菌(Methanobacterium)、(2)球菌 (Methanococcus) 、 (3) 八 聯 球 菌 (Methanosarcina) 以 及 (4) 螺 旋 菌 (Methano- spirillum)。陳是瑩等(1986)及陳是瑩、曾怡禎(1986)研究國內各種厭氧污泥，發 現其中所含之甲烷菌主要有 Methanosaeta

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圖2-1 有機物厭氧醱酵及甲烷反應各階段之示意圖(Mackie & Bryant, 1981)

表2-5 各種厭氧污泥中甲烷菌之種類及特性

甲烷生成菌之成長速率較嗜酸菌慢，所以即使是很小的溫度變化即可能造 成嚴重的影響。因此當甲烷生成菌分解揮發酸時，若降低溫度會使半飽和常數 (half saturation constant)變大而最大比生長速率變小(Lawrence & McCarty, 1969)。而一般生活廢水處理廠在操作污泥厭氧消化時，其最佳操作條件為 烷生成菌造成抑制作用，且隨著濃度增加，其抑制作用增大(Koster & Lettinga, 1984)；而當硫化物之濃度達 150-200 mg/L 時，即對甲烷造成抑制作用(Rinzema

& Lettinga, 1988)。

甲烷菌種類(屬)

Methano- Methano- Methano- Methano-特性

thrix sarcina coccus bacterium spirillum 型態 細桿菌連