第二章 文獻回顧
第二節 厭氧產能微生物
氫氣與甲烷氣體產量均為本研究評估污泥與酒糟複合基質是否可為 能源化重要分析項目，本研究氫氣的生成主要為產氫菌在進行厭氧醱酵時 所產生；而甲烷氣體主要為為甲烷菌進行甲烷化反應所生成，因此，本研 究有必要對產氫菌及甲烷菌進行探討，以瞭解其生長特性。
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Karube (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)。但因為各產 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)。
根據Yokoi et al. (1995)的研究指出，產氫菌主要分為光合作用產氫菌 (Photosynthetic microorganisms)和厭氧醱酵產氫菌 (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)。各方資料 (Yokoi, 1997；Odom, 1983) 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，此菌屬大部分都可以產氫，其中以 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2-2 厭氧產氫微生物之種類 (Das ＆ Veziroğlu, 2001)
微生物分類 微生物名稱
Scenedesmus obliquus Chlamydomonas reinhardii Green algae
(綠藻)
C. movewusii Anabaena azollae Anabaena CA
A. variabilis A. cylindrical Nostoc muscorum
N. spongiaeforme Heterocystous
Westiellopsis prolifica Plectonema boryanum Oscillotoria Miami BG7
O. limnetica Synechococcus sp.
Alphanothece halophytico Mastidocladus
Cynobacteria (藍綠菌)
Nonheterocystous
Phormidium valderianum Rhodobater sphaeroides
R. capsulatus R. sulidophilus
Rhodopseudomonas sphaeroides R. palustris
R. 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
E. cloacae
Clostridium butyricum C. pasteurianum
Desulfovibrio vulgaris Magashaera elsdenii Citrobacter intermedius Fermentative bacteria
(厭氧醱酵菌)
Escherichia coli
表2-3 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 乙醇
Erwinia amylovora
少量氫氣 醋酸 乳酸
Clostridium
C. acetobutylicum C. beijerinckii C. tetanomorphum C. aurantibutylicum C. kluyveri
Butyrivibrio Eubacterium 丁酸 (酯)
丁醇 丙酮
Fusobacterium
大量的氫氣 丁酸 (酯) 己酸
Escherichia coli 混酸
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很高的抵抗能力，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 (out growth)等三個過程 (李國鏞等，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）。目前 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 Clostridium 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，2000)，如食品工廠、啤酒製造廠等 具有高糖份、高澱粉、易酸化、水解之高濃度有機廢水。
二、厭氧甲烷化微生物
甲烷菌（methangogens）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。而其中CO2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，即嗜氫甲 烷生成菌及嗜乙酸甲烷生成菌，其反應機制如下：
CO2 ＋ 4H2 → CH4（甲烷） ＋ 2H2O………（2-1）
（嗜氫甲烷生成菌）
CH3COOH → CH4（甲烷） ＋ CO2………..（2-2）
（嗜乙酸甲烷生成菌）
其中，利用氫氣之甲烷生成菌可協助維持轉化揮發有機酸及乙醇為乙酸 根所需之低氫氣分壓條件（Speece，1983）。而經由甲烷化反應中產生之甲 烷大約有2/3 之甲烷是由嗜乙酸甲烷生成菌轉化乙酸所產生，而另外 1/3 則 由氫還原二氧化碳所生成（Mackie & Bryant，1981）。
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 (Methanospirillum)。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 Methanothrix、Methanosarcina、
Methanococcus、Methanobacterium、Methanospirillum 等五屬，如表 2-4。
表2-4 各種厭氧污泥中甲烷菌之種類及特性 甲烷菌種類 (屬)
Methano- Methano- Methano- Methano- Methano- 特性
thrix sarcina coccus bacterium spirillum 型態 細桿菌連
接成絲狀
八聯球菌 群體
單一或
雙球菌 粗桿菌 螺旋菌 溫度 (℃) 37 35-37 - - -
形成孢子 × × × × ×
ORP ＜-200mv ＜-333mv
pH 7.4-7.8 6.0-7.0 - - - 產氣 CH4、CO2 CH4、CO2 - - -
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35℃。大部分之甲烷生成菌在 pH 值 6.7 至 7.4 之範圍內均能保有 其功能，但最佳之pH 值則介於 7.0 至 7.2 之間，若 pH 接近 6.0 時，即對甲 烷菌造成影響（Sahm，1984）。
對甲烷生成菌而言，當進流基質成分其C：N：P為 700：5：1 時，能夠 使厭氧消化有最佳的效率（Sahm，1984）；而當C/N比值為 25/1～30/1 時有 最佳的產氣率（Polprasert，1989）。甲烷生成菌為絕對之厭氧菌，即使是低 濃度之氧存在也會造成極大之傷害（Oremland，1988）。當NH3-N濃度大於 1700mg/L時，即對甲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150～200mg/L時，即 對甲烷造成抑制作用（Rinzema & Lettinga，1988）。
第三節 厭氧微生物產能之機制
厭氧消化乃是指在厭氧條件下，藉著兼氧性及厭氧性微生物生化代謝作 用，將複雜之高分子有機物（如蛋白質、碳水化合物、脂質等）降解，轉換 成甲烷與二氧化碳等最終產物的程序。而就產氫反應機制而言，厭氧醱酵能 利用特殊微生物及酵素，在水環境中將複雜有機物水解酸化，分解出中間產 物氫氣；產甲烷反應機制則為甲烷菌利用其中間產物經甲烷化反應而生成甲 烷。本節主要分三個部分來探討厭氧微生物產能之機制：傳統厭氧消化反 應、厭氧醱酵產氫反應、厭氧甲烷化反應。
一、傳統厭氧消化反應
傳統厭氧消化反應是在無氧的環境下，首先，由兼氧性及厭氧性細菌透 過水解、產酸的反應 (即厭氧醱酵階段)，將廢水中有機物 (如不溶性有機物 質、碳水化合物、脂肪或蛋白質等)轉化成揮發酸、氫氣、醇類或醛類等中 間代謝產物後；而這些中間代謝產物再轉化為甲烷及二氧化碳等最終穩定產 物，其反應機制如圖2-1 (謝哲松，1995)所示。
由圖2-1 可看出，傳統厭氧消化反應最終產物為CO2與CH4，因為一者 為碳的最大氧化態；另一者為碳的最大還原態。在反應過程中，氫氣產生後 很快被甲烷形成菌轉化成甲烷與二氧化碳，所以氫氣在傳統的厭氧反應過程 中殘留量非常少，可以當作傳統厭氧反應操作不良的重要指標 (林明瑞，
1989)，但無法單獨作為系統控制的依據 (黃國豪、黃耀輝、陳致君、梁德明，
1990)。而在整個厭氧消化過程中，所得到的產物與能源可提供微生物作為 生長代謝及增殖的來源。
複合性聚合體
（纖維素、多糖類、蛋白質）
纖維素或其他水解性細菌 水解
單體
（糖、氨基酸）
醱酵 發酵性細菌
H2+CO2 醋酸 丙酸
丁酸
產氧脂肪 醱酵 酸氧化菌
H2+CO2 醋酸 醋酸
產醋酸菌 產醋酸作用
CH4
產甲烷菌
產甲烷菌 產甲烷作用
圖2-1 傳統厭氧消化反應過程（謝哲松譯，1995）
二、厭氧醱酵產氫反應
在傳統厭氧反應分解有機物的過程中，厭氧微生物群先將有機物經水解 產酸反應，將大部分有機物轉化為揮發酸、醇、醛、氫氣等中間代謝產物，
若生長條件適當，這些中間代謝產物又會被甲烷生成菌分解或轉換成甲烷。
而厭氧醱酵產氫則是設法終止後面的甲烷化反應，使厭氧反應仍持續進行前 面的水解產酸反應而有利氫氣的產生。
由上述可知，一般傳統厭氧消化反應可分為三階段，即水解、酸化、及 甲烷化三階段。而厭氧醱酵產氫反應則發生在水解及酸化階段，以下就這二 階段進行討論。
1.水解階段
此階段是利用細胞外水解 (extracellular enzymes)將複雜的有機物 (如 蛋白質、脂肪、多醣類等)分解成簡單的化合物 (如胺基酸、甘油、單醣等)，
而水解的效率受到pH 值、水力停留時間 (HRT) (Verstraete, deBaere & Rozzi, 1981)及基質種類 (Henze & Harremöes, 1983)等因素影響。Gujer & Zehnder (1982)指出，若進流基質為一般性有機廢水，在水解階段不易形成速率限制，
但若進流基質含有芳香族類有機化合物、纖維素等難水解物質時，在水解階 段將成為限制反應速率階段 (Kennedy & van den Berg, 1982)。
2. 產酸階段
在此階段主要是將水解後的小分子有機物轉化為氫氣、二氧化碳及揮發 性脂肪酸，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸及己酸等 (McCarty, 1964a)，產物之種類依細菌種類及反應條件 (如基質、溫度、pH、
氧化還丙酸、丁酸)及醇類轉化成乙酸根、氫氣及二氧化碳等可直接被甲烷 生成菌利用之化合物。因高氫氣分壓時會抑制乙酸根之生成，而使基質大部 分轉化為丙酸、丁酸、乙醇，因此傳統厭氧消化必需監控氫氣之濃度。
在厭氧生物產氫代謝機制方面，Taguchi（1992）以Clostridium butyrium 為菌種，反應槽溫度控制在36℃、pH值控制在 5.5 的條件下操作，理想的 產氧效率為2.0～4.0 mole-H2/mole-Glucose，但實際產氫效率大約只有理想
產氫效率的60%。其產氫反應方程式如下所示：
C6H12O6 → 2H2 + butyrate + 2CO2……….（2-3）
C6H12O6 + 2H2O → 4H2 + acetate + CO2……….（2-4）
式（2-3）的產氫效率為 33%，（2-4）的產氫效率為 67%，其比值為 1：
2，這說明了 Clostridium butyricum 如果能進一步將葡萄糖分解到乙酸階段則 其產氫量約為分解到丁酸階段的2 倍。
Lay et al. (1999)研究中指出，目前利用有機廢污水以連續式試驗進行醱
Lay et al. (1999)研究中指出，目前利用有機廢污水以連續式試驗進行醱