1.1.2　互營氧化菌群

發酵產酸大多由產芽孢類細菌完成，如梭菌科（Clostridiaceae）、鏈球菌科（Streptococcaceae）、芽孢乳桿菌科（Sporolactobacillaceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）以及嗜熱厭氧桿菌屬（Thermoanaerobacter）等，得到的丁酸、丙酸、乳酸及琥珀酸等產物被用于產乙酸（圖1-1）。在標準狀態下（25℃），丙酸和丁酸氧化是吸能反應（ΔG°′＞0），熱力學上不能自發進行，只有通過嗜氫型產甲烷菌來降低氫分壓，代謝才得以進行[43]。

圖1-1　秸稈發酵產酸過程

丙酸氧化菌大多隸屬δ-變形菌綱（Deltaproteobacteria）、互營桿菌目（Syntrophobacterales）[44]，包括互營桿菌屬（Syntrophobacter）、史密斯氏菌屬（Smithella）和發酵腸狀菌屬（Pelotomaculum）等。丙酸氧化菌常與伴生菌形成互營氧化菌群，如Syntrophobacter pfennigii[45]、Syntrophobacter wolinii[46]伴生甲烷菌為Methanospirillum hungatei、Smithella propionica伴生菌為Methanospirillum hungatei或Methanogenium sp.[47]、Pelotomaculum schinkii伴生菌為Methanospirillum hungatei[48]；嗜熱型氧化菌Pelotomaculum thermopropionicum伴生菌為Methanothermobacter thermautotrophicus[49]。丁酸氧化菌有兩類，一類隸屬梭菌目、互營單胞菌科（Syntrophomonadaceae），如Syntrophomonas wolfei[50]、S.bryantii[51]、S.cellicola[52]、S.zehnderi[53]，伴生菌為Methanospirillum hungatei或Methanobacterium formicicum。另一類隸屬Syntro-phobacterales[54]。從互營氧化代謝途徑來看，除Smithella propionica通過歧化途徑外，丙酸氧化菌大都通過甲基丙二酸單酰輔酶A代謝途徑（MMC途徑）產乙酸，其中琥珀酸氧化為延胡索酸時存在反向電子傳遞；而丁酸氧化菌通過β氧化途徑（β-oxidation）產乙酸，丁酰輔酶A氧化時存在反向電子傳遞，產生的氫被甲烷菌利用后，代謝才能進行[55]。

互營氧化菌群為克服熱力學障礙，通過縮短種間距離、加快電子轉移及提高基因表達等措施，強化互營氧化產甲烷代謝。如Grotenhuis等[56]觀察到顆粒污泥的形成使氧化菌群種間距離縮短到了2μm。共沉淀[57]、投加甲烷菌[58]等措施同樣利用縮短種間距離來強化產甲烷代謝。氫和甲酸是電子傳遞的載體，由于在溶解度和擴散率方面的差異，甲酸適宜長距離傳遞，氫氣則以短距離傳遞為主[59]。電子載體在不同的互營氧化菌群間有所不同。如DONG等[60]將丁酸互營氧化菌Syntrophomonas bryantii與嗜氫及嗜甲酸型Methanospirillum hungatei培養甲烷產率最高，與嗜甲酸型Methanobacterium formicicum培養時產率下降，而與嗜氫型Methanobrevibacter arboriphilus培養不能生長。Syntrophomonas wolfei與Methanobrevibacter arboriphilus形成的菌群則以種間氫傳遞為主[61]。除了氫和甲酸電子載體外，直接電子傳遞也被證實。如Shimoyama等[62]發現丙酸氧化菌Pelotomaculum thermopropionicum通過鞭毛介導與Methanothermobacter thermautotrophicus的電子傳遞。Gorby等[63]觀察到電子通過納米線通道直接傳遞。而胞外導電性的細胞色素C介導了乙醇互營氧化地桿菌的直接電子傳遞[64]。稻田土中磁鐵礦納米顆粒在地桿菌屬介導下，加快了Syntrophomonadaceae與Methanobacteriales的丁酸互營氧化電子傳遞[65]。由此可見，互營氧化菌群電子傳遞既可以借助于氫和甲酸載體實現，也可以依靠鞭毛、納米線、細胞色素C或導電介質等直接傳遞[66]，最終提高產甲烷效率。在稻秸厭氧發酵實驗中，發現投加產甲烷污泥使得Methanosaeta與互營氧化菌Syntrophobacter或Pelotomaculum豐度提高，提高了發酵效率，縮短了產甲烷的延滯期[67]。在半連續秸稈發酵實驗中，嗜氫型Methanobacteriales數量增加，與丙酸氧化菌（Syntrophobacter和Pelotomaculum）、丁酸氧化菌（Syntrophus和Syntrophomonas）形成功能菌群。隨著有機負荷提高，Methanobacteriales豐度降低，互營氧化菌含量顯著下降，導致體系發生酸化[68]。

基因表達水平的變化豐富了菌群強化機制的內涵。如Shimoyama等[62]在研究丙酸互營氧化菌直接電子傳遞時，發現鞭毛FliD接觸后，提高了產甲烷基因的表達水平，加快了產甲烷的啟動速度。Methanococcus形成菌群后，產甲烷關鍵酶基因（mtrH、mcrA和fwdD）及利用氫的基因在轉錄水平顯著提高[69]。Methanothermobacter thermoautotrophicus和Syntrophothermus lipocalidus形成嗜熱丁酸互營氧化菌群后，甲基輔酶M還原酶由MRI替代了純培養時的MRII來催化甲烷生成[70]。