近期，廣州能源所生物質(zhì)能生化轉化研究室生物燃氣課題組在產(chǎn)甲烷菌系強化牛糞-秸稈低溫厭氧發(fā)酵方面取得系列研究進(jìn)展，通過(guò)投加產(chǎn)甲烷菌系有效解決了低溫厭氧發(fā)酵啟動(dòng)慢、甲烷產(chǎn)率低等問(wèn)題，并揭示了生物強化低溫厭氧發(fā)酵機理，相關(guān)研究成果在Chemical Engineering Journal, Bioresource Technology等期刊上相繼發(fā)表，主要的研究成果如下：
1．投加中溫/低溫產(chǎn)甲烷菌系強化牛糞-秸稈低溫共發(fā)酵
低溫條件下發(fā)酵體系內的微生物菌群代謝活性降低，產(chǎn)甲烷古菌與產(chǎn)酸細菌相比對低溫更敏感，產(chǎn)甲烷階段受抑，產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷階段失衡，發(fā)生酸抑制，產(chǎn)氣性能下降。針對這一問(wèn)題，分別投加實(shí)驗室長(cháng)期馴化獲得的中溫及低溫產(chǎn)甲烷菌系，對低溫（20℃）批式牛糞-秸稈混合發(fā)酵進(jìn)行生物強化，研究發(fā)現：強化體系的甲烷產(chǎn)率提升4倍以上，T80縮短20~30 d。產(chǎn)甲烷菌系的投加優(yōu)化了發(fā)酵體系內的微生物群落結構，丙酸氧化菌（Peptococcaeae）及乙酸型產(chǎn)甲烷菌（Methanothrix）的相對豐度在強化體系內顯著(zhù)增加，促進(jìn)了丙酸和乙酸的降解，使產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷階段維持平衡，避免酸抑制，從而提高發(fā)酵性能。
圖1. 低溫產(chǎn)甲烷菌系強化牛糞-秸稈低溫共發(fā)酵
以上研究成果分別以Bioaugmentation with cold-tolerant methanogenic culture to boost methane production from anaerobic co-digestion of cattle manure and corn straw at 20℃及Bioaugmentation improves batch psychrophilic anaerobic co-digestion of cattle manure and corn straw為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal及Bioresource Technology。兩篇論文第一作者均為碩士畢業(yè)生許芯蕊，通訊作者為李穎研究員。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143183；https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126118
2．低溫厭氧發(fā)酵生物強化機制
揭示了產(chǎn)甲烷古菌比細菌耐冷能力差的原因，即在低溫條件下，細菌編碼多種耐冷基因，如HslJ, Hsp15, CspA, MerR, HtpX, HspQ，而古菌僅編碼兩種耐冷基因（Htpx, CspA），導致古菌在低溫下倍增速率明顯低于細菌。因此提高反應器中產(chǎn)甲烷菌的豐度及其耐冷能力是促進(jìn)低溫產(chǎn)甲烷的關(guān)鍵，通過(guò)外源投加產(chǎn)甲烷菌系進(jìn)行生物強化，可人為干預改變厭氧發(fā)酵系統內微生物組成，定向提高關(guān)鍵產(chǎn)甲烷菌生物量，促進(jìn)產(chǎn)甲烷進(jìn)程。
圖2. 低溫厭氧發(fā)酵的生物強化及微生物對低溫的響應機制
該研究成果以Effect of bioaugmentation on psychrotrophic anaerobic digestion: Bioreactor performance, microbial community, and cellular metabolic response為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal。第一作者為博士后閆淼，通訊作者為李穎研究員，原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140173。
以上研究揭示了低溫下厭氧產(chǎn)甲烷的微生物強化機理，構建了性能優(yōu)越的低溫發(fā)酵強化體系，在微生物層面對體系靶向調控；有效促進(jìn)目標底物降解效率、縮短發(fā)酵周期、緩解體系酸抑制、提升低溫厭氧發(fā)酵性能，為寒區沼氣工程在冬季的穩定運行提供新思路及理論依據。
上述研究得到國家自然科學(xué)基金面上項目、中科院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )、中科院戰略性先導科技專(zhuān)項A等項目支持。
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