高負荷餐廚垃圾在厭氧消化過程中往往伴隨揮發性脂肪酸(VFAs)累積，而高濃度VFAs則將嚴重抑制底物的降解和甲烷的產生，被認為是導致系統性能下降甚至反應體系崩潰的重要因素。鑒于厭氧消化的本質是水解菌、產酸菌、產乙酸菌和產甲烷菌等多種微生物協同降解有機物生產甲烷的過程，從微生物的角度解析VFAs抑制機制有助于從源頭查明失穩原因。目前鮮有文獻介紹關于厭氧消化VFAs抑制的生物學機理的研究及從源頭改善VFAs抑制問題的方法。
近期，中國科學院廣州能源研究所研究人員通過逐步提高有機負荷誘導VFAs累積，分析了VFAs脅迫下微生物菌群結構演變特征，并著重闡述了高濃度VFAs下細菌和產甲烷菌對壓力環境的差異性響應。在此基礎上，利用馴化獲得的耐酸產甲烷菌系對VFAs抑制厭氧消化反應器進行菌群定向重組，評價其人工調控效果，并揭示菌群重組強化VFAs抑制產甲烷過程機理。
圖1. VFAs累積對細菌和產甲烷菌代謝的影響。
研究發現，隨著有機負荷的逐步提高，累積的VFAs降低了丙酸鹽氧化產乙酸菌及產甲烷菌的豐度，并允許水解酸化細菌占主導地位，有序的微生物代謝網絡失衡，從而擾亂了甲烷的產生過程。宏基因組技術分析結果顯示，高濃度VFAs促進了系統中與活性氧(ROS)代謝途徑相關的功能基因豐度，表明持續增高的VFAs濃度為微生物施加了壓力環境，激發了微生物的應激反應。相比于古菌 (cat,gpx,sod)，細菌能夠編碼更多種抗氧化代謝基因(cat,gpx,sod,fur,katG,nifH)(圖1)，說明產甲烷菌抵抗壓力環境能力較弱，這被認為是產甲烷菌活性受抑制的主要原因之一。因此定向重組菌群，提高反應器中耐酸產甲烷菌群的豐度是促進高負荷廚余垃圾產甲烷的關鍵。
實驗結果表明，通過定向投加耐酸產甲烷菌群，反應器R1平均甲烷產率可提高至563.6±159.8 mL/L？d，VFAs含量低于檢測水平，其強化效果可持續80天以上（圖2）。代謝產物及微生物群落分析表明，定向投加的耐酸菌屬Syntrophomonas, Syntrophobacter, Methanothrix可以適應VFAs脅迫環境，并顯示出成長優勢，可以有效加速甲烷化過程(圖1)；此外基因功能分析表明系統產甲烷菌群內與ROS代謝途徑相關的功能基因豐度顯著下降（圖3）。以上結果表明菌群重組可有效緩解系統內環境壓力，恢復甲烷產量。在對照組反應器R2中，添加非馴化的普適性濃縮菌液可短暫性提高甲烷產量，但在48天后迅速崩潰（圖2）；產甲烷菌群內與ROS代謝相關的基因豐度持續提高（圖3），表明反應器內產甲烷菌群不具備壓力耐受性，并持續承受環境壓力刺激，導致其生理功能抑制或受損。
圖2.不同組厭氧反應器運行性能示意圖：a)R1人工群落重組反應器甲烷產量；b) R1人工群落重組反應器VFAs含量變化；c) R2濃縮菌液強化組反應器甲烷產量；d) R2濃縮菌液強化組反應器VFAs含量變化。
圖3.各組反應器產甲烷菌群內基因豐度的變化。
該研究揭示了高濃度VFAs刺激微生物產生ROS的抑制機理，并證實了通過人工群落組裝可提高系統內微生物群落對壓力環境的抵抗能力，促進產甲烷過程，從而提高廚余垃圾厭氧發酵性能，為緩解高有機負荷厭氧消化過程提供了理論基礎及技術指導。
以上研究成果以Microbiome re-assembly boosts anaerobic digestion under volatile fatty acid inhibition: focusing on reactive oxygen species metabolism為題發表于Water Research期刊，廣州能源所生物質能生化轉化研究室博士后閆淼為該論文第一作者，李穎研究員為通訊作者。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120711
上述研究得到國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金青年項目、廣東省基金面上項目等支持。
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