丁酸互營氧化產(chǎn)甲烷菌系富集研究獲進展

厭氧消化技術被廣泛用于處理秸稈、糞污、垃圾、污水等各類有機廢棄物并生產(chǎn)可再生能源沼氣，是公認的最有效的碳中和技術之一。在厭氧消化過程中，丁酸是重要的中間代謝產(chǎn)物，由于丁酸降解過程中的吉布斯自由能為正，在高負荷厭氧消化時丁酸容易積累，最終導致反應器失穩(wěn)甚至崩潰。互營丁酸氧化菌是將丁酸氧化為乙酸和H2/CO2的主要微生物，乙酸和H2/CO2隨后被產(chǎn)甲烷菌轉化為CH4。因此，增強丁酸氧化菌與產(chǎn)甲烷菌之間的互營關系、強化丁酸降解產(chǎn)甲烷對厭氧消化過程的穩(wěn)定至關重要。為了更好地了解這種互營機制以提高厭氧消化效率，一些研究者對丁酸互營氧化細菌和產(chǎn)甲烷古菌的純培養(yǎng)物進行了深入研究。然而，在實際工程中，厭氧消化系統(tǒng)的丁酸氧化菌與產(chǎn)甲烷菌之間的互營關系尚不明晰。

為獲得高負荷丁酸互營氧化產(chǎn)甲烷菌系，并探究丁酸產(chǎn)甲烷菌系中的功能微生物、代謝途徑和互營機理，中國科學院成都生物研究所生物質能源項目組研究生孟祥匯在李東研究員和曹沁助理研究員的指導下，采用來自沼氣工程的發(fā)酵液作為接種物、選取正丁酸作為厭氧消化系統(tǒng)的唯一底物，將丁酸負荷從0.2 g/(L·d)逐步提高到了4.4 g/(L·d)。相關科研成果發(fā)表于Bioresource Technology。

微生物群落多樣性表明，當丁酸負荷為1.6 g/(L·d)時，細菌結構發(fā)生了顯著變化，且在較高的丁酸負荷時群落結構更穩(wěn)定。16S rDNA結果顯示Syntrophomonas是主要的丁酸氧化菌，通過β氧化將丁酸轉化為乙酸和H2；Synergistaceae 和 Mesotoga是主要的乙酸氧化菌，它們均可將乙酰輔酶A氧化為H2和CO2；DMER64是主要的產(chǎn)氫菌，負責種間氫傳遞；Methanosarcina為主要優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌。宏基因組測序分析表明，隨著丁酸負荷的升高，系統(tǒng)中種間氫轉移和產(chǎn)甲烷途徑顯著增強，同時氫型產(chǎn)甲烷途徑占據(jù)主導地位。本研究還發(fā)現(xiàn)，可能存在一種新的丁酸互營降解途徑，即正丁酸α—裂解為丙酸和甲基化合物，甲基化合物通過甲基營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷途徑生成甲烷。本研究將為今后開發(fā)高負荷厭氧消化生物強化制劑奠定基礎，對沼氣和生物天然氣工程的高效穩(wěn)定運行具有重要意義。

本研究得到了國家重點研發(fā)計劃課題、四川省科技計劃項目、中科院“西部之光”項目、中國科學院青年創(chuàng)新促進會等的支持。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126483