厭氧顆粒污泥實質上是多種微生物的聚集體，水解發酵菌、產氫產乙酸菌、同型產乙酸菌以及產甲烷菌組成了一個互營共生的微生態系統。在厭氧顆粒污泥中，厭氧微生物生態系統不斷演化的過程受多種因素的影響，如廢水性質、污泥負荷率、系統的選擇壓、pH值和溫度等。不同的環境條件所培養出的污泥的微生物種群結構和空間分布不同，所以有機物降解途徑不同，表現為各個厭氧顆粒污泥的微環境差異。

厭氧顆粒污泥微環境的研究對于揭示厭氧顆粒污泥形成和結構具有重要意義，基于分子生物學方法的PCR和熒光原位雜交(FISH)等技術常用于微生物群落和空間分布的分析，但這些技術難以提供微生物在聚集體中的原位活性信息。而微電極恰可以彌補不足，微電極技術是20世紀七八十年代興起的一種分析手段，其尖端可低至1μm以下，因此具有很高的空間分辨率，是測定極小體積(微米范圍)對象的微小濃度變化的特殊工具。微電極能夠原位監測顆粒污泥內部底物、中間和最終產物濃度的空間變化，進而確定微生物活性和不同種群微生物的空間分布情況。

筆者針對蔗糖、丁酸、乙酸為進水底物培養的厭氧顆粒污泥，基于不同有機物厭氧降解途徑差異引起顆粒污泥內部pH值的變化，用實驗室自制的pH值離子選擇性液膜微電極對3種厭氧顆粒污泥的微結構進行研究，并對3種污泥進行16S rDNA測序分析其種群結構，同時測試污泥的產甲烷活性，以揭示顆粒污泥的形成、結構與進水組成的關系。

實驗裝置

實驗采用3個有機玻璃制成UASB反應器，內徑D為80 mm，三相分離器以下高h為520 mm，有效容積約3 L。反應器進水管管口向下，廢水泵入后經反應器底部的反射作用，能較均勻的與反應區污泥相混合，避免短流和溝流現象。反應器整體置于恒溫室內，將水溫控制在30℃±1℃。

接種污泥及進水水質

接種污泥為咸陽市某造紙廠的IC反應器底部顆粒污泥，污泥VS/TS=70.9%，3個反應器接種相同量的污泥，反應器內污泥初始濃度為12.3 gVSS·L-1。

UASB反應器進水采用自配的合成廢水，1號，2號和3號反應器(以下依次稱為R1，R2和R3)分別以蔗糖、乙酸和丁酸為單一碳源，穩定運行后其濃度均為3 gCOD·L-1。R1用NaHCO3調節堿度，其濃度為3 g·L-1，R2和R3的酸均用NaOH中和，控制進水pH值不低于6.5；此外，3個反應器的進水中均投加等量的營養物質、微量元素和酵母粉。

微電極測試系統

UASB穩定運行后，取污泥樣品于微型模擬反應槽，其進水水質模擬反應器條件，通過向微型槽吹氮氣保持污泥的厭氧環境，用pH微電極測量污泥并采集數據。

R2反應器(底物乙酸)中顆粒污泥采用不同測試底物時內部pH值梯度

討論

由于厭氧消化涉及的水解酸化、產氫產乙酸、同型產乙酸和產甲烷四大微生物種群對有機物的降解會引起周圍微環境中pH值的改變，可以根據厭氧顆粒污泥內部pH梯度推斷不同種群微生物的空間分布，將pH微電極的測試結果與微生物種群分析的直接結果對照，可以得出更為準確的判斷。

根據表1產甲烷活性測試結果和16S rDNA測序分析結果，反應器R1中以蔗糖為底物培養的顆粒污泥內部微生物種群最為豐富，因此微電極測試曲線中顆粒污泥內部pH值從表層到核心先降低(蔗糖水解酸化和VFA產氫產乙酸)，后升高(利用乙酸產甲烷)的趨勢，這說明在該種污泥中，水解酸化和產氫產乙酸菌分布在污泥外層，而利用乙酸的產甲烷菌分布在污泥核心。反應器R2中以乙酸為底物培養的顆粒污泥內部微生物種群最為簡單，細菌種群類別少，只能以乙酸鹽為底物的甲烷鬃毛菌(Methanosaeta)和甲烷八疊球菌(Methanosarcina)占古菌的近90%。由于能夠降解蔗糖和丁酸的細菌數量少，所以蔗糖和丁酸為測試底物時厭氧顆粒污泥內部pH值梯度很小。反應器R3中以丁酸為底物培養的顆粒污泥內部微生物種群較蔗糖污泥簡單，但比乙酸污泥復雜。在該種污泥中同樣能夠降解蔗糖的細菌數量少，所以蔗糖為測試底物時厭氧顆粒污泥內部pH值梯度很小。

因此，對照產甲烷活性和16S rDNA的分析結果可知，通過微電極對厭氧顆粒污泥內部pH值微環境的測試，可以得到其內部微生物種群的空間分布信息。

結論

采用微電極技術測試不同進水培養的厭氧顆粒污泥，可得到污泥內部微環境的pH值梯度，并推斷微生物種群的空間分布。微電極分析得到的結果與不同測試底物產甲烷活性結果和16S rDNA測序分析結果相一致，說明微電極技術可作為厭氧顆粒污泥內部微環境分析和微生物種群空間分布研究的有力工具。