【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】利用厭氧消化技術(shù)實(shí)現(xiàn)有機(jī)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(jī)廢棄物的主流技術(shù)。微生物是有機(jī)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(yùn)行可獲得最佳的發(fā)酵效率。然而，在我國寒區(qū)低溫季節(jié)，運(yùn)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(jì)效益低，導(dǎo)致我國北方沼氣產(chǎn)量與規(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，但低溫下微生物生長及代謝較緩慢，因而甲烷產(chǎn)量低。
針對以上問題，中國科學(xué)院廣州能源研究所生物質(zhì)能生化轉(zhuǎn)化研究室生物燃?xì)庹n題組探究了低溫抑制厭氧發(fā)酵的機(jī)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(jìn)行生物強(qiáng)化，評價(jià)生物強(qiáng)化效果；從微生物群落組成與宏基因組學(xué)層面揭示了生物強(qiáng)化機(jī)制。相關(guān)研究成果以Effect of bioaugmentation on psychrotrophic anaerobic digestion: Bioreactor performance, microbial community, and cellular metabolic response(《生物強(qiáng)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(xì)胞代謝的響應(yīng)》)為題，發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。
具體成果如下：低溫抑制厭氧發(fā)酵的主要原因。相比于細(xì)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；細(xì)菌和古菌對溫度的響應(yīng)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(xì)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(xì)菌。因此，提高反應(yīng)器中產(chǎn)甲烷菌的豐度及耐冷能力是促進(jìn)低溫產(chǎn)甲烷的關(guān)鍵。
為強(qiáng)化低溫厭氧發(fā)酵，科研人員向低溫抑制的發(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(jìn)丙酸及乙酸降解，避免酸抑制，提高產(chǎn)甲烷性能。研究采用的連續(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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(bào)道利于增強(qiáng)微生物適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力。
上述研究揭示了低溫下厭氧甲烷化低效的微生物機(jī)理，并證實(shí)了外源投加菌系進(jìn)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(jìn)產(chǎn)甲烷進(jìn)程，從而提高低溫厭氧發(fā)酵性能，為有機(jī)廢棄物低溫厭氧消化的生物強(qiáng)化技術(shù)形成與優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)、提供了指導(dǎo)。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等的支持。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
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(xì)菌。
圖2.生物強(qiáng)化對低溫厭氧消化性能及微生物的影響 a)生物強(qiáng)化過程及產(chǎn)氣性能示意；b)生物強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)化對微生物基因豐度的影響。a)古菌；b)細(xì)菌(Ino：接種物)。
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