4.3.5 嗜乙酸产甲烷菌群在pH扰动下的自调节

在培养初期，接种污泥中乙酸氧化共生菌群的丰度远低于乙酸发酵型甲烷菌，因而在高乙酸浓度且pH适宜时，乙酸发酵型甲烷菌尤其是生长快速且乙酸亲和力低的甲烷八叠球菌目Methanosarcinaceae占优势。随着乙酸的逐渐降解，pH逐渐升高到8.3以上。为在pH胁迫环境中生存，产甲烷菌需要通过质子泵进行被动运输以维持适宜的细胞内部pH[85]。过高的pH也促使乙酸和CO2等甲烷化底物解离，减少分子态乙酸和CO2的浓度。离子化的甲烷化底物很难扩散透过细胞膜，因而需要消耗更多能量进行被动运输，或增加细胞膜的通透性，而由此导致的pH渗漏需要质子泵增加工作速率进行补偿[86]。由此，过高的环境pH增加了产甲烷菌生存所需的能量，且其能量需求随着环境pH与生长最佳pH的差距呈线性增加，进而限制了产甲烷菌的生存[86]。尽管碱性环境下大量存在的自由氨也会对产甲烷菌产生抑制，但本研究体系中氨背景浓度较低，总氨氮浓度（TAN）仅为19 mmol/L，氨对产甲烷菌的抑制效应并非主要因素。由此可见，pH的变化是引起甲烷化活力改变的重要因素。伴随着CH3COO-消耗而快速升高的pH引发了甲烷化抑制，而pH的降低使得甲烷化活力得以部分恢复，从而产甲烷速率呈现了“双峰模式”变化。(https://www.daowen.com)

与乙酸发酵型产甲烷菌相比，乙酸氧化共生菌群显示了对碱性环境较高的耐受力，在pH剧烈扰动之后，即快速增殖并成为优势菌群。过高的pH对微生物产生毒性的原理与高浓度自由氨的毒性原理具有一定相似性。氨毒性的产生是由于游离态的氨分子可自由透过细胞膜进入细胞内部，氨在细胞内解离消耗H+，使得胞内pH提高。细胞为维持适宜的内部pH环境，通过细胞膜上的质子泵泵出K+而吸收H+[90，92]。自由氨渗入导致的胞内质子不平衡和K+流失阻碍了细胞的生长[26，91]。也有人认为，高浓度的自由氨增加了细胞生长和维持生存所需的能量[93]，或者可直接作用于甲烷产生过程的酶体系[92]。从生物能量学的观点看，乙酸氧化共生菌群的细胞生长与维持对能量的需求较低，这可能有利于它们在高pH或高氨浓度等胁迫环境下的生存[93]。