城市填埋場微生物分布及其環(huán)境響應(yīng)特征

蔣小紅

（上海建科環(huán)境技術(shù)有限公司 上海 200000）

引言

城市固廢填埋場是城市固體廢棄物處置的重要場所，相比較直接燃燒等利用方式，填埋場的運營處置成本相對較低，是世界上最常用的城市固廢處置方式[1]。即使在歐美等發(fā)達地區(qū)，倡導(dǎo)廢棄物回收利用，但是廢棄物填埋場仍是城市垃圾不可或缺的消納場所。此外填埋場可作為一種環(huán)境友好型的生物反應(yīng)器運行以收集甲烷等氣體用作清潔能源，具有其獨特的優(yōu)勢[2]。利用填埋場的微生物等構(gòu)建填埋場生物反應(yīng)器是處置利用城市固廢的新型生物技術(shù)，為傳統(tǒng)填埋生物處理技術(shù)在城市生活垃圾處理中的應(yīng)用提供了新的機遇[4]。綜合來看填埋場生物反應(yīng)器是一種良好的城市廢棄物管理工具和產(chǎn)甲烷的理想技術(shù)。因此，有必要更好地了解城市固廢填埋場的微生物生態(tài)學(xué)，以開發(fā)可行的生物降解技術(shù)。

城市固體廢棄物成分復(fù)雜，填埋物中包含玻璃、金屬、陶瓷和建筑垃圾等很難降解的成分，一些工業(yè)廢棄物例如塑料和橡膠等，其化學(xué)結(jié)構(gòu)多為多環(huán)芳烴和多氯聯(lián)苯，也不容易被大多數(shù)微生物降解[4]。然而，大部分城市廢棄物都是可生物降解的有機材料，例如紙張、食物、植物材料以及皮革和紡織品。城市廢棄物（如食物垃圾）可降解成分在微生物的作用下可以作為資源使用，例如產(chǎn)生甲烷氣體。食物垃圾的營養(yǎng)成分和水分含量更高，有利于微生物的繁殖，是利用生物反應(yīng)器處理城市生活垃圾的良好基礎(chǔ)[5]。

填埋場廢棄物生物降解由不同類型的細(xì)菌、古菌和真菌共同作用，將廢棄物可利用成分分解、發(fā)酵和產(chǎn)甲烷，以完全礦化轉(zhuǎn)化為無機鹽、水和氣體。研究生物反應(yīng)器中城市固體廢棄物生物處理過程中的微生物生態(tài)特性，有利于更好的利用微生物處置固體廢棄物。填埋場生物反應(yīng)器固廢的降解情況和微生物的活性，生態(tài)多樣性受填埋場的物理化學(xué)條件影響[6]。然而在不同國家，尤其是發(fā)展中國家原位影響填埋場生物過程的關(guān)鍵因素的研究相對匱乏。

全球趨勢表明，城市固體廢棄物數(shù)量和復(fù)雜性顯著增加，特別是在工業(yè)化和城市地區(qū)，因此研究了解填埋場生物處置的主要影響因素，對于提高填埋場的作為固廢管理工具的效率具有重要意義。本文從填埋場微生物多樣性、微生物代謝功能以及微生物活性和多樣性對生態(tài)因素的響應(yīng)等方面對填埋場微生物研究現(xiàn)狀進行了闡述，以期助力填埋場生物處置技術(shù)的更好發(fā)展。

1 城市固體廢棄物填埋場微生物生態(tài)學(xué)特征

1.1 微生物分類學(xué)

對城市固廢填埋場微生物生態(tài)學(xué)多樣性的研究可以追溯到20 世紀(jì)80 年代。在過去15-20 年中，隨著微生物培養(yǎng)方法和分子生物學(xué)方法技術(shù)手段的進步，關(guān)于填埋場微生物開展了大量研究[7]。早期關(guān)于填埋場微生物的研究主要通過傳統(tǒng)的選擇性培養(yǎng)基進行篩選培養(yǎng)鑒定，然而填埋場中大多數(shù)微生物不能在培養(yǎng)基上生長，培養(yǎng)的方法只能識別出極少數(shù)的微生物。隨著高通量測序的快速發(fā)展，尤其是宏基因組技術(shù)的出現(xiàn)，使得大規(guī)模研究環(huán)境介質(zhì)如水體、土壤、污泥及垃圾填埋場中的微生物群落生態(tài)學(xué)成為可能。目前對填埋場樣品微生物生態(tài)學(xué)的分析多基于16S rDNA 或RNA 序列引物，這些引物是細(xì)菌和古菌基因組擴增和測序的重要標(biāo)記。

固廢填埋場中細(xì)菌的種類分布較為豐富，變形菌門、厚壁菌門、擬桿菌門以及螺旋菌門是分布最為廣泛的細(xì)菌門類，一共占總細(xì)菌群落的90%左右[8]。變形菌門在自然界中廣泛分布，可以降解單糖、抗生素和短鏈脂肪酸等多種物質(zhì)，是填埋場生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢物種，在該生態(tài)系統(tǒng)中五種變形菌綱均能檢測到[8]。厚壁菌門則以桿菌綱和梭狀芽胞桿菌綱為主，擬桿菌門主要為擬桿菌綱和鞘脂桿菌綱。相比于變形菌門，厚壁菌門和擬桿菌門二者主要是水解淀粉和纖維素等多糖成分。

填埋場古菌以廣古菌門為主，特別是產(chǎn)甲烷桿菌、甲烷微球菌和球菌，而泉古菌門占比相對較少。填埋場土壤中古菌與甲烷密切相關(guān)，是產(chǎn)甲烷的關(guān)鍵微生物。此外，細(xì)菌中存在好氧甲烷氧化菌，以甲烷為碳源和能源，是重要的甲烷消除菌[3]。相比于細(xì)菌和古菌，關(guān)于填埋場生態(tài)系統(tǒng)中的真菌相關(guān)研究較少，有學(xué)者在填埋場土壤中發(fā)現(xiàn)了真菌中的子囊菌門，其具備一定的腐生能力[9]。一般而言細(xì)菌和古菌群落比真菌具有更多的功能優(yōu)勢，能夠代謝更多的無機和有機底物，是填埋場生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢物種，是保持生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要分解者。

填埋場微生物分類一般受多種條件的影響，例如填埋深度、填埋時間等的影響。一般而言，填埋場微生物數(shù)量豐度隨填埋深度的變化呈現(xiàn)表層高，中層有所下降，到底層又增多的趨勢[7]。這是因為填埋場表層的成分有機質(zhì)含量較高，且土壤孔隙度大，氧氣濃度高，同時溫度適中，有利于填埋固體廢棄物攜帶的好氧及兼性厭氧微生物的快速繁殖增長，提高表層微生物的多樣性豐度。而在填埋場中層，因為深度的增加，氧分壓降低，好氧微生物豐度減少，對應(yīng)兼性厭氧和專性厭氧的微生物增多，環(huán)境條件的波動使得微生物豐度下降。填埋場的底層固廢填埋物由于經(jīng)過長時間的厭氧發(fā)酵等過程，環(huán)境條件相似度高，主要優(yōu)勢種群相似，均勻度較高，微生物的多樣性指數(shù)較高。

填埋場微生物的多樣性還受到填埋時間的顯著影響，同一填埋場相同填埋深度不同填埋時間的微生物多樣性一般會呈現(xiàn)明顯差異[7]。一般情況，填埋場表層的微生物多樣性受填埋時間影響較為劇烈，填埋時間較短的表層土壤微生物種群多樣性較高，而優(yōu)勢種群較少，隨著填埋時間的增加，表層土壤的微生物會經(jīng)過選擇強化分解功能，優(yōu)勢種群會逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。而隨著填埋深度的增加，不同填埋時間的微生物種群多樣性表現(xiàn)出一定的相似性，群落結(jié)構(gòu)趨于一致，深層的微生物群落結(jié)構(gòu)主要受填埋深度的影響，對填埋時間的響應(yīng)較小。

1.2 填埋場廢棄物生物處置：微生物代謝功能

城市固廢填埋場中廢棄物的生物降解取決于有機基質(zhì)的性質(zhì)和數(shù)量，雖然城市固廢成分復(fù)雜，由各種各樣的垃圾材料組成，但是其中大部分簡單碳?xì)滏溁衔锖蛷?fù)雜芳香族化合物都是可以生物降解的有機材料。一般而言，填埋場生物處理由水解、發(fā)酵和產(chǎn)甲烷過程組成。這些過程由異養(yǎng)型和自養(yǎng)型的微生物所驅(qū)動，不同過程包含不同細(xì)菌、古菌和真菌，例如纖維素水解過程的放線菌、發(fā)酵產(chǎn)酸過程的厚壁菌、產(chǎn)甲烷過程的產(chǎn)甲烷菌等[2]。真菌主要負(fù)責(zé)底物降解的有機物階段，解聚底物，從而為后續(xù)的細(xì)菌、古菌活動提供能量、碳源和其他營養(yǎng)物質(zhì)。細(xì)菌包含好氧細(xì)菌和厭氧細(xì)菌，好氧細(xì)菌負(fù)責(zé)水解過程，為厭氧細(xì)菌提供底物，也存在部分梭菌屬可以在厭氧條件下進行水解。厭氧細(xì)菌通過乙酰化和酸化代謝產(chǎn)生單體，作為古菌產(chǎn)甲烷和二氧化碳的前體物，最終古菌在厭氧條件下完成產(chǎn)甲烷過程。

填埋場廢棄物底物的水解是降解的關(guān)鍵過程，由微生物對特定化學(xué)鍵的酶解和化學(xué)結(jié)構(gòu)中特定官能團的解體完成。固體廢棄物經(jīng)過表面覆蓋復(fù)合土工膜后，可降解成分會在好氧生物的作用下迅速水解，目前已從城市固廢填埋場中檢測到微生物纖維素酶的活性，可以協(xié)同催化水解纖維素材料，此外還有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和磷酸酶等可以分解食物垃圾。填埋場中纖維素物質(zhì)能占到40%-70%，是最重要的可利用有機物，因此關(guān)于纖維素水解細(xì)菌的研究較多。纖維素水解細(xì)菌主要由厭氧型的梭菌屬和部分革蘭氏陽性菌以及好氧型的纖維單細(xì)胞屬和噬纖維菌屬等構(gòu)成。纖維素水解酶的活性能夠在一定程度上代表填埋場水解速率，纖維素水解的快慢會直接影響后續(xù)過程的速率。

發(fā)酵過程主要包含厭氧乙酰化和酸化的產(chǎn)酸過程，主要利用糖類、氨基酸和脂肪酸。厭氧發(fā)酵過程主要由固廢填埋場的異養(yǎng)微生物在厭氧條件下完成，這一階段伴隨著有機酸的積累，氨氮的消耗，pH會逐漸下降。完成厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的微生物主要包含產(chǎn)酸微生物和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸微生物。其中產(chǎn)酸相關(guān)的細(xì)菌有厚壁菌門中的梭菌屬、優(yōu)干菌屬和類芽孢桿菌屬，以及擬桿菌門中的擬桿菌屬、普氏菌屬等。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌一般需要和后續(xù)產(chǎn)甲烷細(xì)菌協(xié)同完成產(chǎn)酸過程，因此當(dāng)系統(tǒng)乙酸濃度和氫較高時，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌活性會受到抑制，而產(chǎn)甲烷菌可以以二者為底物合成甲烷。

產(chǎn)甲烷過程，由古菌利用醋酸菌代謝產(chǎn)生副產(chǎn)品有機酸和氫，通過有機酸和甲基化合物分解以及二氧化碳和甲醇的還原產(chǎn)生甲烷，完成填埋場固廢的生物處理過程，是填埋場生物處理關(guān)鍵的一步[9]。在這一階段，產(chǎn)甲烷菌利用有機酸作為電子供體，處理過程伴隨著氨氮的生成，使得填埋場環(huán)境pH 升高。產(chǎn)甲烷菌主要分為乙酸營養(yǎng)型、H2營養(yǎng)型和甲基營養(yǎng)型三類，分別以乙酸、氫和甲基化合物為底物。

2 城市固廢填埋場微生物的生態(tài)影響因素

城市固體廢棄物在填埋場的生物降解程度和效率均取決于原位微生物群落，而微生物群落活性又受到填埋場環(huán)境條件的高度影響。生態(tài)因素例如營養(yǎng)元素、有機碳、氧氣含量、水分含量、溫度和pH 等對填埋場微生物活性存在影響，從而影響廢棄物的生物降解，而微生物對不同生態(tài)因素響應(yīng)的機理也存在不同。

營養(yǎng)元素例如氮和磷等，是生命體重要組成成分，一般而言厭氧微生物對氮和磷的需求要小于好氧微生物，適當(dāng)濃度的營養(yǎng)元素有利于微生物的生長。而當(dāng)?shù)⒘自貪舛冗^高時也會產(chǎn)生一定的污染，例如氨氮濃度過高時會提高體系pH，對厭氧消化過程產(chǎn)生毒害作用，抑制相關(guān)微生物的活性。

有機碳是異樣微生物的重要電子供體和碳源，當(dāng)填埋場固體廢棄物中的有機碳濃度較低時，異養(yǎng)型的微生物生長緩慢，而當(dāng)固廢成分中有機碳占比增加時，可增加碳的可利用性，進而促進異養(yǎng)型微生物的生長，提高微生物的活性，加快固體廢棄物的初始分解，提高體系溫度，同時為后續(xù)過程提供反應(yīng)底物，加快填埋場固廢的整個生物處理過程。

氧氣含量是影響填埋場微生物組成和豐度的關(guān)鍵因素，尤其是當(dāng)土壤界面由好氧向厭氧條件轉(zhuǎn)變時，一般而言好氧條件下微生物多樣性和豐度更高。填埋場氧氣含量的減少會限制好氧細(xì)菌和真菌對復(fù)雜底物的水解，進而減少后續(xù)微生物所需前體的供應(yīng)，最終減少微生物的多樣性和豐度。

溫度會直接影響微生物的代謝活性，不同微生物最適溫度范圍存在差異。參與固廢降解的大多數(shù)細(xì)菌都是中性的，而產(chǎn)甲烷菌則是嗜熱性的。季節(jié)性的氣候變化會導(dǎo)致填埋場溫度變化，反過來又影響了微生物的活性，從而影響固廢降解效率。一般情況下，傳統(tǒng)封閉式固廢填埋場的細(xì)菌豐度呈現(xiàn)季節(jié)性變化，冬季時細(xì)菌豐度最低，夏季細(xì)菌豐度最高，20℃時細(xì)菌的活性最高[10]，導(dǎo)致不同季節(jié)填埋場沼氣產(chǎn)量存在差異。

水分含量通過刺激基質(zhì)的水解和生物利用率，在調(diào)節(jié)微生物呼吸速率方面發(fā)揮著重要作用。高含水率會導(dǎo)致填埋場飽和，限制土壤的通氣，降低填埋場氧氣含量。傳統(tǒng)的垃圾填埋場水分含量完全取決于降雨，雨季時存在填埋場水分飽和的風(fēng)險，而旱季時有限的水分供應(yīng)又會限制微生物的活性。

關(guān)于pH 對微生物活性的影響研究起步較早，研究人員發(fā)現(xiàn)通過添加碳酸鈣中和垃圾分解過程中的酸性pH，有利于提高甲烷產(chǎn)氣量[10]。固廢填埋場系統(tǒng)在生物處理過程中形成一個pH 值的緩沖體系，主要由碳酸鹽體系控制，會自我調(diào)節(jié)pH 值。不同微生物最適pH 范圍不同，發(fā)酵細(xì)菌在酸性條件增殖速度較快，而隨著有機酸的分解，pH 上升，更適宜堿性條件的產(chǎn)甲烷菌豐度提高，完成生物處理過程。

結(jié)語

盡管城市固體廢棄物的生物處理復(fù)雜多變，受多種自然生態(tài)因素的影響，城市固廢填埋場仍是世界各地固體廢棄物管理的一種常用手段。新型填埋場的設(shè)計離不開全面了解填埋場內(nèi)部微生物的群落多樣性及生態(tài)學(xué)特征。了解城市固體廢棄物填埋場中各種微生物的生態(tài)特征及其與可降解成分的相互作用，有利于發(fā)揮填埋場作為固廢處置管理工具的可持續(xù)性。

深入研究填埋場生態(tài)系統(tǒng)生物功能和微生物基因組學(xué)，將連續(xù)監(jiān)測填埋場微生物群落結(jié)構(gòu)納入管理工作，有助于實現(xiàn)城市固體廢棄物更高效和更有益的利用。