高負(fù)荷餐廚垃圾在厭氧消化過程中往往伴隨揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)累積，而高濃度VFAs則將嚴(yán)重抑制底物的降解和甲烷的產(chǎn)生，被認(rèn)為是導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至反應(yīng)體系崩潰的重要因素。鑒于厭氧消化的本質(zhì)是水解菌、產(chǎn)酸菌、產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌等多種微生物協(xié)同降解有機(jī)物生產(chǎn)甲烷的過程，從微生物的角度解析VFAs抑制機(jī)制有助于從源頭查明失穩(wěn)原因。目前鮮有文獻(xiàn)介紹關(guān)于厭氧消化VFAs抑制的生物學(xué)機(jī)理的研究及從源頭改善VFAs抑制問題的方法。
近期，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所研究人員通過逐步提高有機(jī)負(fù)荷誘導(dǎo)VFAs累積，分析了VFAs脅迫下微生物菌群結(jié)構(gòu)演變特征，并著重闡述了高濃度VFAs下細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌對(duì)壓力環(huán)境的差異性響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，利用馴化獲得的耐酸產(chǎn)甲烷菌系對(duì)VFAs抑制厭氧消化反應(yīng)器進(jìn)行菌群定向重組，評(píng)價(jià)其人工調(diào)控效果，并揭示菌群重組強(qiáng)化VFAs抑制產(chǎn)甲烷過程機(jī)理。
圖1. VFAs累積對(duì)細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌代謝的影響。
研究發(fā)現(xiàn)，隨著有機(jī)負(fù)荷的逐步提高，累積的VFAs降低了丙酸鹽氧化產(chǎn)乙酸菌及產(chǎn)甲烷菌的豐度，并允許水解酸化細(xì)菌占主導(dǎo)地位，有序的微生物代謝網(wǎng)絡(luò)失衡，從而擾亂了甲烷的產(chǎn)生過程。宏基因組技術(shù)分析結(jié)果顯示，高濃度VFAs促進(jìn)了系統(tǒng)中與活性氧(ROS)代謝途徑相關(guān)的功能基因豐度，表明持續(xù)增高的VFAs濃度為微生物施加了壓力環(huán)境，激發(fā)了微生物的應(yīng)激反應(yīng)。相比于古菌 (cat,gpx,sod)，細(xì)菌能夠編碼更多種抗氧化代謝基因(cat,gpx,sod,fur,katG,nifH)(圖1)，說明產(chǎn)甲烷菌抵抗壓力環(huán)境能力較弱，這被認(rèn)為是產(chǎn)甲烷菌活性受抑制的主要原因之一。因此定向重組菌群，提高反應(yīng)器中耐酸產(chǎn)甲烷菌群的豐度是促進(jìn)高負(fù)荷廚余垃圾產(chǎn)甲烷的關(guān)鍵。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過定向投加耐酸產(chǎn)甲烷菌群，反應(yīng)器R1平均甲烷產(chǎn)率可提高至563.6 159.8 mL/L？d，VFAs含量低于檢測(cè)水平，其強(qiáng)化效果可持續(xù)80天以上（圖2）。代謝產(chǎn)物及微生物群落分析表明，定向投加的耐酸菌屬Syntrophomonas, Syntrophobacter, Methanothrix可以適應(yīng)VFAs脅迫環(huán)境，并顯示出成長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，可以有效加速甲烷化過程(圖1)；此外基因功能分析表明系統(tǒng)產(chǎn)甲烷菌群內(nèi)與ROS代謝途徑相關(guān)的功能基因豐度顯著下降（圖3）。以上結(jié)果表明菌群重組可有效緩解系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境壓力，恢復(fù)甲烷產(chǎn)量。在對(duì)照組反應(yīng)器R2中，添加非馴化的普適性濃縮菌液可短暫性提高甲烷產(chǎn)量，但在48天后迅速崩潰（圖2）；產(chǎn)甲烷菌群內(nèi)與ROS代謝相關(guān)的基因豐度持續(xù)提高（圖3），表明反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)甲烷菌群不具備壓力耐受性，并持續(xù)承受環(huán)境壓力刺激，導(dǎo)致其生理功能抑制或受損。
圖2.不同組厭氧反應(yīng)器運(yùn)行性能示意圖：a)R1人工群落重組反應(yīng)器甲烷產(chǎn)量；b) R1人工群落重組反應(yīng)器VFAs含量變化；c) R2濃縮菌液強(qiáng)化組反應(yīng)器甲烷產(chǎn)量；d) R2濃縮菌液強(qiáng)化組反應(yīng)器VFAs含量變化。
圖3.各組反應(yīng)器產(chǎn)甲烷菌群內(nèi)基因豐度的變化。
該研究揭示了高濃度VFAs刺激微生物產(chǎn)生ROS的抑制機(jī)理，并證實(shí)了通過人工群落組裝可提高系統(tǒng)內(nèi)微生物群落對(duì)壓力環(huán)境的抵抗能力，促進(jìn)產(chǎn)甲烷過程，從而提高廚余垃圾厭氧發(fā)酵性能，為緩解高有機(jī)負(fù)荷厭氧消化過程提供了理論基礎(chǔ)及技術(shù)指導(dǎo)。
以上研究成果以Microbiome re-assembly boosts anaerobic digestion under volatile fatty acid inhibition: focusing on reactive oxygen species metabolism為題發(fā)表于Water Research期刊，廣州能源所生物質(zhì)能生化轉(zhuǎn)化研究室博士后閆淼為該論文第一作者，李穎研究員為通訊作者。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120711
上述研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、廣東省基金面上項(xiàng)目等支持。
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