近日，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院研究員史吉平、劉莉團(tuán)隊(duì)，在微生物協(xié)同強(qiáng)化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷方面取得進(jìn)展。相關(guān)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(xué)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(qiáng)化餐廚垃圾高溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的性能，證實(shí)了多菌株協(xié)同生物強(qiáng)化比單菌株生物強(qiáng)化具有更顯著的產(chǎn)甲烷效果，并通過(guò)微生物群落結(jié)構(gòu)和宏基因組學(xué)分析剖析了多菌株協(xié)同生物強(qiáng)化厭氧發(fā)酵機(jī)制，揭示了多菌株協(xié)同生物強(qiáng)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(zhì)降解菌，提高大分子有機(jī)物水解、三羧酸循環(huán)以及氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷途徑關(guān)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(qiáng)化策略。

  高溫厭氧發(fā)酵可以將餐廚垃圾中的大分子有機(jī)物通過(guò)微生物的生長(zhǎng)代謝轉(zhuǎn)化為甲烷，同時(shí)有效殺滅致病菌和蟲(chóng)卵，是實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾資源化、無(wú)害化、減量化的常用處理技術(shù)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(wèn)題，形成產(chǎn)氣率低、穩(wěn)定性差的技術(shù)瓶頸。

  針對(duì)上述問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)提出了熱棕櫚梭菌與熱淀粉芽孢桿菌協(xié)同生物強(qiáng)化厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的策略，旨在通過(guò)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(diào)節(jié)微生物群落結(jié)構(gòu)，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(shí)，研究將兩種功能微生物的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，突破單一菌種功能的局限性。研究表明，協(xié)同生物強(qiáng)化組相比于對(duì)照組提高了24.77%±1.98%，強(qiáng)化效果優(yōu)于單一強(qiáng)化組。微生物群落結(jié)構(gòu)組成分析顯示協(xié)同生物強(qiáng)化增加了碳水化合物降解菌Lentimicrobium和Caldicoprobacter，以及蛋白質(zhì)降解菌Fastidiosipila和Keratinibaculum的相對(duì)豐度。此外，與有機(jī)物水解，特別是碳水化合物、蛋白質(zhì)水解，以及三羧酸循環(huán)和氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷途徑相關(guān)的關(guān)鍵基因豐度，在協(xié)同生物強(qiáng)化組中得到了提高。該研究利用不同功能微生物協(xié)同強(qiáng)化厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的策略，為有機(jī)固廢處理和生物能源生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

  研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“固廢資源化”專項(xiàng)“城鎮(zhèn)易腐有機(jī)固廢生物轉(zhuǎn)化與二次污染控制技術(shù)”的支持。

多菌株協(xié)同生物強(qiáng)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(qiáng)化對(duì)關(guān)鍵代謝途徑的功能基因的影響