基于稳定同位素示踪的高浓度乙酸降解微生态功能识别

易降解固体废物的厌氧消化过程中，高浓度乙酸的积累是限制其甲烷化利用的主要原因。本申请项目的研究定位于高浓度乙酸环境下甲烷化代谢微生态的功能多样性分析。通过稳定同位素标记乙酸厌氧降解实验，利用稳定同位素示踪代谢物在不同微生物之间的流动和分布，采用稳定同位素探针技术SIP和稳定同位素单细胞水平可视化技术SIMS-ISH，研究高浓度乙酸厌氧降解时微生态的种群多样性和功能多样性，从而在空间和丰度上识别出共生氧化细菌，确定共生氧化细菌与产甲烷菌的相互关系，确定酸性条件下产甲烷菌的甲烷生成途径，探究不同微生物在高浓度乙酸代谢体系中的功能、对代谢的贡献以及微生物之间的代谢联系。由此探明高浓度乙酸的厌氧甲烷化机理，提出易酸化基质快速厌氧降解的技术途径。通过研究，可为避免和消除生物质固体废物厌氧消化的酸累积现象，以及酸性条件下甲烷化的恢复和快速启动，提供理论依据。

易降解固体废物的厌氧消化，如何控制工艺稳定性，提高消化效率是目前该技术应用和发展的关键。高浓度乙酸降解形成甲烷，作为整个厌氧代谢流的终端，是确保易降解生物质固体废物厌氧消化稳定运行的枢纽步骤。对于乙酸降解途径认识的不足，导致如何缓解厌氧反应器酸累积的工程操作方法的不确定或不具针对性。本项目研究定位于高浓度乙酸环境下甲烷化代谢微生态的功能多样性分析。通过稳定同位素标记乙酸厌氧降解实验结合天然稳定同位素跟踪，本研究开展了厌氧消化微生物的耐酸潜力分析及其种群多样性构象、优化基于稳定同位素的微生态功能多样性分析方法学、高浓度乙酸降解的微生态功能多样性分析、厌氧微生态耐酸能力强化等有关研究工作。建立了相关的方法平台，研究了高浓度乙酸厌氧降解时微生态的种群多样性和功能多样性，从而在空间和丰度方面识别出共生氧化细菌，确定共生氧化细菌与产甲烷菌的相互关系，确定酸性条件下产甲烷菌的甲烷生成途径，探究不同微生物在高浓度乙酸代谢体系中的功能、对代谢的贡献以及微生物之间的代谢联系。研究发现低pH型酸胁迫、高有机酸浓度型酸胁迫、碳酸盐浓度过度、酸和氨共同胁迫下，共生乙酸氧化—氢营养型甲烷化的串联途径往往会成为主导途径，在胁迫环境下采取强化该串联途径的措施能缓解胁迫压力。发现多种胁迫因子同时存在时会使抑制强度剧增，而不是纯粹的抑制叠加，因此氨胁迫可以通过削减酸胁迫得以缓解。发现甲烷八叠球菌也可以利用乙酸发酵型代谢途径来抵御短期氨冲击胁迫，因此维持菌群以聚集体结构形态存有利于高效稳定的厌氧反应运行。并由此发现，添加生物炭可以促进类似聚集体结构的形成，有利于产甲烷菌和共生细菌通过直接电子传递实现电子交换，从而使这些功能微生物得以被富集，抵御酸和氨的抑制。由于生物炭容易制备、成本低廉，而且可以土壤生态系统兼容促进作物生长及温室减排，这意味着残留在废物消化沼渣中的生物炭无需被分离出来，可以随着沼渣一起进行土地利用，这是其它添加剂难以比拟的。从而为高含固率易降解物料厌氧消化的改善提出了确实可行的工程解决方案。