【儀表網 儀表研發】利用厭氧消化技術實現有機物廢棄物減量和生物質能源(甲烷)回收是當前國內外處理有機廢棄物的主流技術。微生物是有機廢棄物厭氧發酵的核心，其生長及代謝活性受溫度影響，大部分沼氣工程的發酵罐在中溫(37±2℃)或高溫(55±2℃)條件下運行可獲得最佳的發酵效率。然而，在我國寒區低溫季節，運行大型中溫或高溫發酵罐所需增保溫能耗極高，甚至超過產能的一半，造成經濟效益低，導致我國北方沼氣產量與規模均低于南方。雖然低溫厭氧發酵(20℃以下)具有能耗低優勢，但低溫下微生物生長及代謝較緩慢，因而甲烷產量低。
 

　　針對以上問題，中國科學院廣州能源研究所生物質能生化轉化研究室生物燃氣課題組探究了低溫抑制厭氧發酵的機制；在此基礎上，利用經長期馴化獲得的產甲烷菌系對低溫連續厭氧發酵進行生物強化，評價生物強化效果；從微生物群落組成與宏基因組學層面揭示了生物強化機制。相關研究成果以Effect of bioaugmentation on psychrotrophic anaerobic digestion: Bioreactor performance, microbial community, and cellular metabolic response(《生物強化對低溫厭氧消化的影響：生物反應器性能、微生物群落及細胞代謝的響應》)為題，發表在Chemical Engineering Journal上。
 

　　具體成果如下：低溫抑制厭氧發酵的主要原因。相比于細菌，古菌(主要指產甲烷菌)對低溫更敏感，能夠引起反應器內中間代謝產物產生和降解速度不平衡，造成揮發性脂肪酸累積和甲烷產量低；細菌和古菌對溫度的響應存在差異，利用宏組學技術結合KEGG代謝通路數據庫，發現古菌中僅編碼兩種耐冷基因(Htpx、CspA)(圖1a)，但細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，導致古菌倍增速率明顯低于細菌。因此，提高反應器中產甲烷菌的豐度及耐冷能力是促進低溫產甲烷的關鍵。
 

　　為強化低溫厭氧發酵，科研人員向低溫抑制的發酵罐內投加了自主研發的丙酸產甲烷菌系，從而促進丙酸及乙酸降解，避免酸抑制，提高產甲烷性能。研究采用的連續式(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)，恢復甲烷產量(圖2b)，強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，生物強化提高了嗜乙酸產甲烷菌(Methanothrix harundinacea和Methanosarcina flavescens)的相對豐度(圖2d)；產甲烷菌基因功能分析發現主導調控合成脂多糖以及谷胱甘肽的基因豐度顯著增多(圖3)，這類代謝產物曾多次被報道利于增強微生物適應惡劣環境的能力。
 

　　上述研究揭示了低溫下厭氧甲烷化低效的微生物機理，并證實了外源投加菌系進行人為干預可改變厭氧發酵系統內微生物組成，定向提高關鍵產甲烷菌生物量，促進產甲烷進程，從而提高低溫厭氧發酵性能，為有機廢棄物低溫厭氧消化的生物強化技術形成與優化奠定了理論基礎、提供了指導。
 

　　研究工作得到國家自然科學基金面上項目、中科院戰略性先導科技專項(A類)、中科院青年創新促進會等的支持。
 

實驗設計
 

圖1.低溫對厭氧消化微生物代謝的影響。a、產甲烷菌；b、細菌。
 

　　圖2.生物強化對低溫厭氧消化性能及微生物的影響 a)生物強化過程及產氣性能示意；b)生物強化對不同階段甲烷產量的影響(R-37：37℃中溫對照；R-20Bio：20℃低溫生物強化反應器；R-20：20℃低溫對照；D17-34：第17-34天；D35-252：第35-252天)；c)生物強化對乙酸和丙酸濃度的影響；d)微生物群落演替；e)各反應器內不同階段pH平均值。

 

圖3.生物強化對微生物基因豐度的影響。a)古菌；b)細菌(Ino：接種物)。