餐厨废弃物生物制氢过程关键产氢酶相互作用机理研究

Anaerobic fermentative hydrogen production is widely recognized as a practical and applicable method on converting kitchen waste into hydrogen by hydrogenases catalysis. However, hydrogenases play important roles in energy metabolism with complicated structure and function. The mechanism of hydrogen production is difficult to be clarified via hydrogenases identification, expression and interaction in complex anaerobic fermentative environment using traditional microbiology and genomics methods. The structure, function and correlation of hydrogenase and accessory proteins will be analyzed using metaproteomics technology in this project. The feedback mechanism of key operational parameters and enzyme catalysis ability will be illuminated through correlation analysis among different metabolic styles, microbial community succession and hydrogenases functions. The core microbial metabolism network map will be established. The prospective results will be benefit to promote the bio-hydrogen production efficiency and establish the optimal control strategy, as well as provide theoretical basis for quick start and stable operation in kitchen waste hydrogen production system.

餐厨废弃物生物制氢是微生物在产氢酶的作用下将有机物转化为氢气的过程。由于餐厨废弃物厌氧产氢过程中微生物产氢酶的结构、功能复杂，产氢代谢途径与氢酶催化作用密切相关，传统微生物学与基因组学方法难以实现复杂生境下微生物群落的蛋白质表达与功能解析，产氢酶功能蛋白识别及相互作用关系仍为黑箱。基于此，本研究采用“元蛋白质组学”技术，通过不同产氢代谢途径与微生物群落演替、氢酶及其辅助蛋白功能的关联性分析，阐明产氢关键调控因子与氢酶催化能力的响应机制，系统构建餐厨垃圾厌氧产氢关键微生物新陈代谢网络图谱，解析微生物厌氧产氢代谢机理，从蛋白功能调控水平阐明提高产氢效率与工艺稳定运行的优化调控策略。本研究成果有利于通过蛋白质功能调控的生物强化策略提高产氢微生物的氢酶活性和厌氧产氢潜力，建立最优调控策略及工艺技术体系，为餐厨垃圾厌氧生物制氢工艺的快速启动与连续稳定运行提供科学依据和技术储备。

餐厨废弃物厌氧产氢过程中微生物产氢相关功能蛋白的类型复杂，传统微生物学与基因组学方法难以实现复杂生境下微生物群落的蛋白质表达与功能解析，产氢功能蛋白识别及相互作用关系仍为黑箱。基于此，本研究采用“元蛋白质组学”技术，通过产氢关键调控因子、与微生物群落演替、产氢相关蛋白功能的响应关系研究，构建了餐厨垃圾厌氧产氢关键微生物新陈代谢网络图谱，阐明了微生物厌氧产氢代谢机理。系统分析了关键环境因子、运行调控因子对餐厨废弃物厌氧产氢效率、产氢潜力的影响，阐明了挥发性脂肪酸、还原糖、氨氮等代谢中间产物的变化规律，获得了最佳工艺运行参数。采用微生物元蛋白质组学特征分析与高通量测序相结合的方法，解析不同调控因子对产氢微生物群落结构及演替规律，建立了微生物代谢途径与关键因子的响应关系，获得了651种细菌功能蛋白和477种古菌功能蛋白，发现产氢相关功能蛋白主要来自丙酮酸脱羧和甲酸裂解过程的碳水化合物代谢。通过本项目的开展，获得了一系列比较显著的研究成果，有利于通过蛋白质功能调控的生物强化策略提高产氢能力，为进一步提高工艺运行稳定性，建立最优调控策略提供了科学依据和技术储备。