英文原题：Response of Exogenous and Indigenous Microorganisms in Alleviating Acetate−Ammonium Coinhibition during Thermophilic Anaerobic Digestion
通讯作者：吕凡, 同济大学
作者：Chao Yang, Pinjing He, Hua Zhang, and Fan Lü
近日，同济大学环境科学与工程学院吕凡研究员团队开发了一种可缓解厌氧消化高浓度酸氨协同抑制的功能菌组合。这种功能菌组合缓解抑制效果显著，在3 g/L乙酸盐和7 g NH4+-N/L以及12 g/L乙酸盐和4 g NH4+-N/L浓度的协同抑制下使得甲烷产量分别提升了702%和49.7%。
厌氧消化是处理厨余垃圾的主流技术之一，通过厌氧生物反应可以将厨余垃圾转化为沼气，从而实现厨余垃圾的资源化利用。整个厌氧消化过程依据有机质的降解路径可以分为水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷四个阶段。其中，产甲烷是整个厌氧消化过程中最脆弱的阶段，极容易发生有机酸何氨对产甲烷菌的双重抑制。生物强化是一种有潜力的厌氧消化解抑增效技术，其通过添加功能菌株来提高微生物群落的代谢能力，从而优化厌氧消化反应器的性能。强化功能菌的选择是影响生物强化效果的关键，本文总结相关研究发现，开发具有协同效应的耐抑制功能菌组合是优化生物强化效果的有效途径（图1）。
图1：生物强化缓解厌氧消化酸氨抑制研究总结
针对厌氧消化解抑增效问题，本研究使用了四种功能菌株（Thermacetogenium、Coprothermobacter、Methanothermobacter和Methanosarcina）构建了一个强化功能菌株组合。该功能菌组合可以实现对互营乙酸氧化（SAO）、乙酸营养型（AM）和氢营养型（HM）产甲烷途径的同步强化。使用该强化菌组合对六组不同程度酸氨协同抑制的高温厌氧消化反应器进行强化处理，结果表明在不同抑制场景下生物强化的作用效果差异显著（-35.3~705％，图2），其中，在3 g/L乙酸盐和7 g NH4+-N/L抑制场景下（L7），甲烷产量提升了705％，在12 g/L乙酸盐和4 g NH4+-N/L抑制场景下（H4），甲烷产量提升了49.7％。相应的，进行强化处理也促进或加速了底物乙酸盐的降解。
图2：甲烷产量和乙酸盐浓度的变化。（a, c）3 g/L初始乙酸盐浓度；（b, d）12 g/L初始乙酸盐浓度。每条线的阴影表示三次重复的标准偏差。箭头从对照组指向相应的生物增强组，百分比表示生物强化对甲烷或乙酸盐的影响
甲烷化代谢途径识别结果表明，酸氨抑制加重使产甲烷途径从AM切换为HM，并且生物强化主要增强了HM产甲烷途径（图3）。
图3：12组处理在甲烷生成指数期碳同位素分馏因子αc值。αc < 1.055，表明产甲烷途径以乙酸营养型为主，αc < 1.065，表明以氢营养型为主。
通过对微生物群落进行高通量测序发现，生物强化提升了微生物群落的物种多样性并且主要提升了HM途径微生物的丰度。本实验使用的外源强化功能菌中，Coprothermobacter和Methanothermobacter耐酸氨抑制，在强化处理中显著富集。但同时，土著菌属Syntrophaceticus和Methanoculleus在强化处理中也能被富集。优势产甲烷菌中，外源菌Methanothermobacter的产甲烷性能优于土著菌Methanoculleus，但Methanoculleus的耐抑制能力更强（图4）。综上所述，本研究发现，Coprothermobacter和Methanothermobacter发挥了生物强化作用并且改变了微生物群落结构。
图4：产甲烷菌和SAOBs在属水平上的分类。（a）E、M、L分别对应产甲烷迟滞期、指数期和稳定期。（b）产甲烷菌、SAOBs与理化性质之间的Pearson相关性分析。（c）12组处理的Alpha多样性，包括Shannon指数、Simpson指数和Pielou均匀度；每个箱形图显示了三个阶段数据的最小值（误差棒）、最大值（误差棒）、第一四分位数、中位数、第三四分位数和平均值（星形）值。
通过对微生物群落与理化性质进行网络结构分析发现，外源菌Coprothermobacter不仅可以促进底物降解，而且还与外源和土著的氢营养型产甲烷菌（Methanothermobacter和Methanoculleus）形成了共生关系，在酸氨协同抑制反应器中稳定存在并发挥强化作用（图5）。
图5：（a）12组处理中微生物群落的共现网络结构。（b）优势微生物和理化性质的共现网络结构和模块化分析。a图中每个节点的大小与中心性系数成正比。红色实线和蓝色实线分别表示正线性关系和负线性关系。线的厚度与Spearman相关系数的值成正比。
对微生物代谢功能基因进行预测分析发现，生物强化主要上调了HM途径功能基因的表达，这与甲烷化代谢途径与微生物群落演化的结果是一致的。此外，与离子转运和能量转化相关的功能基因也在强化处理中增强了表达，说明进行生物强化后的微生物群落具有更强的耐受能力（图6）。
图6：产甲烷途径相关的功能基因。（a）红色和绿色分别表示乙酸营养型和氢营养型产甲烷途径的功能基因，黑色表示两条途径共有的功能基因；橙色表示渗透压调节相关的功能基因，蓝色表示能量代谢相关的功能基因。（b）不同处理中功能基因的相对丰度。
综上所述，本研究发现Coprothermobacter可以和氢营养型产甲烷菌Methanothermobacter和Methanoculleus形成一个耐抑制的共生功能菌组合，该共生菌组合可以在高温厌氧消化酸氨抑制反应器中富集并提升甲烷产量。但由于耐受力和产甲烷性能的差异，在7 g NH4+-N/L浓度下，只有Methanoculleus能富集，但Methanothermobacter的产甲烷能力强于Methanoculleus，这导致了不同抑制场景下生物强化效果的差异。
相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，同济大学博士研究生杨超为文章的第一作者，同济大学吕凡研究员为通讯作者。
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ACS ES&T Engg. 2024, ASAP
Publication Date: December 17, 2024
https://doi.org/10.1021/acsestengg.4c00628
Copyright © 2025 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Wonyong Choi
Korea Institute of Energy Technology
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