近日，中國科學院上海高等研究院研究員史吉平、劉莉團隊，在微生物協(xié)同強化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷方面取得進展。相關研究成果以Synergistic bioaugmentation with Clostridium thermopalmarium and Caldibacillus thermoamylovorans improved methane production from thermophilic anaerobic digestion of food waste為題，發(fā)表在《化學工程雜志》（Chemical Engineering Journal）上。該研究探討了熱棕櫚梭菌Clostridium thermopalmarium與熱淀粉芽孢桿菌Caldibacillus thermoamylovorans協(xié)同生物強化餐廚垃圾高溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的性能，證實了多菌株協(xié)同生物強化比單菌株生物強化具有更顯著的產(chǎn)甲烷效果，并通過微生物群落結構和宏基因組學分析剖析了多菌株協(xié)同生物強化厭氧發(fā)酵機制，揭示了多菌株協(xié)同生物強化可有效提高微生物群落的均勻度和多樣性，富集微生物菌群中的碳水化合物降解菌和蛋白質降解菌，提高大分子有機物水解、三羧酸循環(huán)以及氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷途徑關鍵酶的基因豐度。這一成果為餐廚垃圾處理提供了可以有效提高甲烷產(chǎn)量的協(xié)同生物強化策略。

  高溫厭氧發(fā)酵可以將餐廚垃圾中的大分子有機物通過微生物的生長代謝轉化為甲烷，同時有效殺滅致病菌和蟲卵，是實現(xiàn)餐廚垃圾資源化、無害化、減量化的常用處理技術之一。而高溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)存在功能微生物種類少、濃度低、活性差的問題，形成產(chǎn)氣率低、穩(wěn)定性差的技術瓶頸。

  針對上述問題，該團隊提出了熱棕櫚梭菌與熱淀粉芽孢桿菌協(xié)同生物強化厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的策略，旨在通過增加餐廚垃圾高溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中功能微生物的數(shù)量，調節(jié)微生物群落結構，提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性，從根本上改善高溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的性能。同時，研究將兩種功能微生物的優(yōu)勢結合起來，突破單一菌種功能的局限性。研究表明，協(xié)同生物強化組相比于對照組提高了24.77%±1.98%，強化效果優(yōu)于單一強化組。微生物群落結構組成分析顯示協(xié)同生物強化增加了碳水化合物降解菌Lentimicrobium和Caldicoprobacter，以及蛋白質降解菌Fastidiosipila和Keratinibaculum的相對豐度。此外，與有機物水解，特別是碳水化合物、蛋白質水解，以及三羧酸循環(huán)和氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷途徑相關的關鍵基因豐度，在協(xié)同生物強化組中得到了提高。該研究利用不同功能微生物協(xié)同強化厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的策略，為有機固廢處理和生物能源生產(chǎn)提供了技術支持。

  研究工作得到國家重點研發(fā)計劃“固廢資源化”專項“城鎮(zhèn)易腐有機固廢生物轉化與二次污染控制技術”的支持。

多菌株協(xié)同生物強化提高厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷性能示意圖

多菌株協(xié)同生物強化對關鍵代謝途徑的功能基因的影響