丁酸互營(yíng)氧化產(chǎn)甲烷菌系富集研究獲進(jìn)展

厭氧消化技術(shù)被廣泛用于處理秸稈、糞污、垃圾、污水等各類有機(jī)廢棄物并生產(chǎn)可再生能源沼氣，是公認(rèn)的最有效的碳中和技術(shù)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(fù)荷厭氧消化時(shí)丁酸容易積累，最終導(dǎo)致反應(yīng)器失穩(wěn)甚至崩潰。互營(yíng)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(zhuǎn)化為CH4。因此，增強(qiáng)丁酸氧化菌與產(chǎn)甲烷菌之間的互營(yíng)關(guān)系、強(qiáng)化丁酸降解產(chǎn)甲烷對(duì)厭氧消化過程的穩(wěn)定至關(guān)重要。為了更好地了解這種互營(yíng)機(jī)制以提高厭氧消化效率，一些研究者對(duì)丁酸互營(yíng)氧化細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌的純培養(yǎng)物進(jìn)行了深入研究。然而，在實(shí)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(yíng)關(guān)系尚不明晰。

為獲得高負(fù)荷丁酸互營(yíng)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(yíng)機(jī)理，中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所生物質(zhì)能源項(xiàng)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(dǎo)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(fù)荷從0.2 g/(L·d)逐步提高到了4.4 g/(L·d)。相關(guān)科研成果發(fā)表于Bioresource Technology。

微生物群落多樣性表明，當(dāng)丁酸負(fù)荷為1.6 g/(L·d)時(shí)，細(xì)菌結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，且在較高的丁酸負(fù)荷時(shí)群落結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。16S rDNA結(jié)果顯示Syntrophomonas是主要的丁酸氧化菌，通過β氧化將丁酸轉(zhuǎn)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(fù)責(zé)種間氫傳遞；Methanosarcina為主要優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌。宏基因組測(cè)序分析表明，隨著丁酸負(fù)荷的升高，系統(tǒng)中種間氫轉(zhuǎn)移和產(chǎn)甲烷途徑顯著增強(qiáng)，同時(shí)氫型產(chǎn)甲烷途徑占據(jù)主導(dǎo)地位。本研究還發(fā)現(xiàn)，可能存在一種新的丁酸互營(yíng)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(yíng)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(fù)荷厭氧消化生物強(qiáng)化制劑奠定基礎(chǔ)，對(duì)沼氣和生物天然氣工程的高效穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目、中科院“西部之光”項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的支持。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126483