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　　通過厭氧消化技術(shù)實現(xiàn)有機物廢棄物減量和生物質(zhì)能源（甲烷）回收是當(dāng)前國內(nèi)外處理有機廢棄物的主流技術(shù)。微生物是有機廢棄物厭氧發(fā)酵的核心，其生長及代謝活性受溫度影響，大部分沼氣工程的發(fā)酵罐在中溫（37±2℃）或高溫（55±2℃）條件下運行可獲得最佳的發(fā)酵效率。但在我國寒區(qū)低溫季節(jié)，運行大型中溫或高溫發(fā)酵罐所需增保溫能耗極高，甚至超過產(chǎn)能的一半，造成經(jīng)濟效益低，導(dǎo)致我國北方沼氣產(chǎn)量及規(guī)模均低于南方。雖然低溫厭氧發(fā)酵（20℃以下）具有能耗低優(yōu)勢，但是低溫下微生物生長及代謝較緩慢，因此甲烷產(chǎn)量低。 

　　針對以上問題，廣州能源所生物質(zhì)能生化轉(zhuǎn)化研究室生物燃氣課題組探究了低溫抑制厭氧發(fā)酵的機制；在此基礎(chǔ)上，利用經(jīng)長期馴化獲得的產(chǎn)甲烷菌系對低溫連續(xù)厭氧發(fā)酵進行生物強化，評價生物強化效果；并從微生物群落組成及宏基因組學(xué)層面揭示了生物強化機制。相關(guān)成果以Effect of bioaugmentation on psychrotrophic anaerobic digestion: Bioreactor performance, microbial community, and cellular metabolic response（《生物強化對低溫厭氧消化的影響：生物反應(yīng)器性能、微生物群落及細胞代謝的響應(yīng)》）為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal （IF:16.7）。 

　　實驗設(shè)計 

　　具體研究結(jié)果如下： 

　　低溫抑制厭氧發(fā)酵的主要原因。相比于細菌，古菌（主要指產(chǎn)甲烷菌）對低溫更敏感，能夠引起反應(yīng)器內(nèi)中間代謝產(chǎn)物產(chǎn)生和降解速度不平衡，造成揮發(fā)性脂肪酸累積和甲烷產(chǎn)量低；此外，細菌和古菌對溫度的響應(yīng)也存在差異，利用宏組學(xué)技術(shù)結(jié)合KEGG代謝通路數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)古菌中僅編碼兩種耐冷基因（Htpx, CspA）（圖1a），但細菌中編碼多種耐冷基因，如HslJ,Hsp15, CspA, MerR, HtpX, HspQ（圖1b），說明古菌的耐冷能力較差，導(dǎo)致古菌倍增速率明顯低于細菌。因此提高反應(yīng)器中產(chǎn)甲烷菌的豐度及其耐冷能力是促進低溫產(chǎn)甲烷的關(guān)鍵。 

　　圖1. 低溫對厭氧消化微生物代謝的影響 a) 產(chǎn)甲烷菌；b) 細菌

　　為強化低溫厭氧發(fā)酵，向低溫抑制的發(fā)酵罐內(nèi)投加了自主研發(fā)的丙酸產(chǎn)甲烷菌系，從而促進丙酸及乙酸降解，避免酸抑制，提高產(chǎn)甲烷性能。所采用的連續(xù)式（每天投加一次菌系）和間歇式（每周投加一次菌系）兩種生物強化方法均具有顯著的解抑增效作用（圖2a），可緩解丙酸的累積（圖2c），恢復(fù)甲烷產(chǎn)量（圖2b），強化效果在停止投加菌系后可維持至少14個水力停留時間（140天）（圖2a）。微生物群落分析表明，生物強化提高了嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌（Methanothrix harundinacea 和Methanosarcina flavescens）的相對豐度（圖2d）；產(chǎn)甲烷菌基因功能分析發(fā)現(xiàn)主導(dǎo)調(diào)控合成脂多糖以及谷胱甘肽的基因豐度顯著增多（圖3），這類代謝產(chǎn)物曾多次被報道有助于增強微生物適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力。

　　圖2. 生物強化對低溫厭氧消化性能及微生物的影響 a) 生物強化過程及產(chǎn)氣性能示意；b)生物強化對不同階段甲烷產(chǎn)量的影響（R-37：37℃中溫對照；R-20Bio：20℃低溫生物強化反應(yīng)器；R-20：20℃低溫對照；D17-34：第17-34天；D35-252：第35-252天）；c) 生物強化對乙酸和丙酸濃度的影響；d) 微生物群落演替；e) 各反應(yīng)器內(nèi)不同階段pH平均值。

　　圖3生物強化對微生物基因豐度的影響 a)古菌；b)細菌（Ino：接種物） 

　　以上研究揭示了低溫下厭氧甲烷化低效的微生物機理，并證實了外源投加菌系進行人為干預(yù)可改變厭氧發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)微生物組成，定向提高關(guān)鍵產(chǎn)甲烷菌生物量，促進產(chǎn)甲烷進程，從而提高低溫厭氧發(fā)酵性能，為有機廢棄物低溫厭氧消化的生物強化技術(shù)形成及優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)及指導(dǎo)。 

　　該研究得到國家自然科學(xué)基金面上項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項A、中科院青年創(chuàng)新促進會等支持。文章第一作者為廣州能源所博士后閆淼，通訊作者為李穎研究員。 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140173