4.3.2 甲烷化代谢途径

在未添加CH3F的反应器中，监测了气相δ13CH4和δ13CO2的变化，并根据式2-12对碳同位素表观分馏因子αc进行了计算。如图4-3所示，随着乙酸的逐渐降解，不同初始乙酸浓度下的δ13CH4和δ13CO2呈现不同的变化趋势。

初始乙酸浓度为50 mmol/L时，δ13CH4由-44.7‰逐渐升高到-13.8‰，而δ13CO2则由-21.6‰降低到-32.8‰后又升高到-17.8‰，相应的αc值范围为1.000～1.024；初始乙酸浓度为100 mmol/L时，δ13CH4由-43.5‰逐渐升高到-27.4‰，而δ13CO2则由-19.3‰降低到-37.1‰后又升高到-9.3‰，αc值则由1.025降低到1.006后又升高到1.019～1.028。在更高的初始乙酸浓度下，稳定碳同位素分馏效应则出现了明显转折。初始乙酸浓度为150 mmol/L时，δ13CH4由-40.5‰逐渐升高到-70.5‰，而δ13CO2则由-24.7‰降低到-41.3‰后又升高到6.8‰，αc值则由1.017降低到1.005后又快速升高到1.083。在200 mmol/L的初始乙酸浓度下，δ13CH4和δ13CO2分别波动于-80.1‰～-41.6‰和-41.5‰～8.6‰之间，αc值则由1.025降低到1.007后又快速升高到1.092。

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图4-3 不同乙酸浓度各反应器内的δ13CH4，δ13CO2和αc值

注：（1）竖线处表示在第15 d时对pH进行调节
（2）乙酸浓度100～200 mmol/L下，微生物培养的各时段分别为：0～8 d前活跃产甲烷期；8～15 d中间抑制期；＞15 d后活跃产甲烷期和产甲烷稳定期。

氢营养型甲烷化途径的稳定碳同位素分馏效应高于乙酸发酵型，故αc的值越大，表明氢营养型途径的贡献越大。αc＞1.065时，可认为是氢营养型途径主导[200]，而在Fey等人[139]的研究中，αc＜1.025和αc=1.045分别成为乙酸发酵型途径主导和乙酸发酵型与氢营养型途径混合进行的特征。由此可推断，在较低初始乙酸浓度50～100 mmol/L下，甲烷主要通过乙酸发酵型途径产生；而在较高初始乙酸浓度150～200 mmol/L下，甲烷化主导途径则由初始的乙酸发酵型转向氢营养型。由于乙酸为唯一的碳源，因而共生乙酸氧化成为氢营养型甲烷化底物的主要来源，在高浓度乙酸的代谢过程中起着重要作用。在初始乙酸浓度150～200 mmol/L下，αc已于第9 d开始较缓慢增加，但在第15 d调节pH后则迅速增加，可见代谢途径的转变在中间抑制期开始，而pH恢复至中性显著加速了这一转变过程。且初始pH越高，最终的αc值越大，表明高乙酸浓度促进了共生乙酸氧化途径。