厭氧產能微生物

根據Nandi and Sengupta(1998)的研究中指出各種適合產氫的微生物包括了 好氧，兼氣性，厭氧三種類型的微生物。（1）厭氧性產氫微生物：有Clostridia，

Rumen Bacteria and Archea。（2）兼氣性產氫微生物：有Escherichia coli，

Enterbacter(3)好氧性產氫微生物：有Alcaligenes，Bacillus。各類產氫產氫 微生物各有所嗜好的基質及產氫條件。根據Gottschalk（1986）的研究指出

Clostridium菌屬為已知產氫菌中厭氧醱酵產氫能力較佳的菌種。

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2-9(Das & Veziro lu, 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(林秋裕等，1999)。

表2-9產氫微生物之種類(Das & Veziroğlu, 2001)

分類 微生物名稱

Green algae (綠藻)

Scenedesmus obliquus Chlamydomonas reinhardii Chlamydomonas movewusii Cynobacteria Heterocystous

(藍綠菌)

Anabaena azollae Anabaena CA Anabaena variabilis Anabaena cylindrical Nostoc muscorum Nostoc spongiaeforme Westiellopsis prolifica Nonheterocystous Plectonema boryanum

Oscillotoria Miami BG7 Oscillotoria limnetica Synechococcus sp.

Alphanothece halophytico Mastidocladus

Phormidium valderianum Photosynthetic bacteria

(厭氧光合細菌)

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 Halobacterium halobium Fermentative bacteria

(厭氧醱酵菌)

Enterobacter aerogenes Enterobacter cloacae Clostridium butyricum Clostridium pasteurianum Desulfovibrio vulgaris Magashaera elsdenii Citrobacter intermedius Escherichia coli

根據Yokoi et al. (1995)的研究指出，產氫菌主要分為厭氧醱酵產氫菌 (Fermentative hydrogen producing microorganisms)及光合產氫菌

(Photosynthetic 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2-10為各種不同菌種進行厭氧醱酵之產物 (Gottschalk, 1986)。

表2-10 各種不同菌種進行醱酵代謝之產物(Gottschalk, 1986)

醱酵種類 菌種 產氫量及產物

乙醇 Zymomonas anaerobica 少量氫氣

Sarcina ventriculi 醋酸

Erwinia amylovora 乳酸

丁酸(酯) Clostridium 大量的氫氣

丁醇 Clostridium acetobutylicum 丁酸(酯)

丙酮 Clostridium beijerinckii 己酸

Clostridium tetanomorphum Clostridium aurantibutylicum Clostridium kluyveri

Butyrivibrio Eubacterium Fusobacterium

混酸 Escherichia coli 中量的氫氣

丁二醇 Enterbacter aerogenes

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(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(CH³NH²)、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，即嗜氫甲烷生成菌及嗜 乙酸甲烷生成菌，其反應機制如下：

(一)嗜氫甲烷生成菌 CO²＋4H² → CH⁴ (甲烷)＋2H²O (2-1) (二)嗜乙酸甲烷生成菌 CH3COOH → CH4 (甲烷)＋CO2 (2-2)

其中，利用氫氣之甲烷生成菌在甲烷化反應中可協助維持轉化揮發有機酸及

2/3 是由嗜乙酸甲烷生成菌轉化乙酸所產生，而另外1/3 則是由氫還原二氧化碳 所生成的(Mackie & Bryant, 1981)，如圖2-2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

(Methanospirillum)。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，Methanosarcina，Methanococcus，

Methanobacterium，Methanospirillum 等五屬。

4﹪

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

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6.7-7.4之範圍內均能保有其功能，但最佳之pH 值則介於 7.0-7.2 之間，若pH 接近6.0 時，即對甲烷菌造成影響(Sahm,1984)。

複雜有機物

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1700 mg/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150-200 mg/L 時，即對甲烷造成抑制作 用(Rinzema& Lettinga, 1988)。