基于微好氧环境的耐酸产甲烷菌群的富集及耐酸机理研究

In China, the development of biomethane project based on urban and rural organic waste has a strong momentum.Anaerobic digestion technology has been widely used in engineering practice, but there are still a series of problems in improving the efficiency of biogas fermentation including acid inhibition. The root cause of acid inhibition is the imbalance of microbial community in the anaerobic fermentation system. The traditional removal methods, such as alkali addition, not only increase the operating cost, but also make the system more fragile and sensitive.In order to obtain and analyze a group of high-efficiency acid-tolerant methane-producing microbial community for acid-suppressed organic waste anaerobic digestion, the project is going to obtain an acid-tolerant methane-producing microbial community through a new domestication method based on slightly microaeration. Molecular biology and bioinformatics techniques are used to analyze the formation mechanism, and bioaugmentation is used to the anaerobic digestion system for regulating the imbalance of the flora, thereby relieving acid inhibition in anaerobic digestion.The implementation of this project has important theoretical research significance and engineering application prospect for further improving the efficiency of organic waste treatment and promoting the energy development in China.

在我国，以城乡有机废弃物为资源基础的生物天然气工程发展势头强劲。核心技术厌氧消化已广泛应用于工程实践，但在提高沼气发酵效率方面，还存在一系列问题，其中酸抑制是主要技术瓶颈之一。酸抑制的根本原因是厌氧发酵系统中菌群失衡，传统的解除方法如加碱调节等，不仅增加运行成本，而且使系统更脆弱敏感。本项目以获取并解析一组高效解除酸抑制的有机废弃物厌氧消化产甲烷菌群为目标，通过新的驯化方法，利用微好氧环境提高菌群稳定性，获取耐酸产甲烷的微生物群，利用分子生物学和生物信息学技术解析菌群耐酸机理，并以生物强化的方式加入厌氧消化系统中，以期调节菌群失衡，从而解除厌氧发酵的酸抑制问题。本项目的实施对进一步提高有机废弃物处理效率，推动我国能源发展战略具有重要的理论研究意义和工程应用前景。

厌氧发酵作为一种处理城乡有机废弃物的重要技术，已广泛应用于工程实践。酸抑制问题是制约厌氧发酵产气效率进一步提高的技术瓶颈之一。本项目驯化获得了一个耐酸产甲烷菌群，可以在进水pH 低于4.5罐内发酵液pH达到 5.0的条件下发酵产甲烷，并建立了基于微好氧的驯化方法，发现微氧（0.2-0.5 L空气/L reactor/day）在驯化过程中起重要作用。利用高通量测序和宏转录组学技术解析了菌群耐酸机理，发现富集驯化得到的耐酸产甲烷菌群在微生物群落结构水平上基本形成了酸耐受响应（ATR），应激蛋白和分子伴侣蛋白Hsp70 (DnaK)和Hsp40 (DnaJ)基因、脱氢酶基因以及和甲烷代谢相关的甲基转移酶等基因的表达量均有不同程度的提升，群体ATR机制基本形成。但宏转录组结果显示，甲烷代谢通路中部分关键酶基因的表达量下降，且耐酸产甲烷微生物群中的优势产甲烷菌无法在低pH（4.5）条件下培养，说明耐酸产甲烷菌群中的优势产甲烷菌未能形成ATR响应。利用驯化富集的耐酸产甲烷菌群生物强化厌氧反应器，发现其可以加速反应器启动，对提升反应器运行负荷有显著作用，但对已经严重酸化的反应器（pH低于5.0），生物强化作用微弱。此外，为了探索是否存在其他耐酸菌群能够解决酸抑制问题，本项目进行了拓展性探索，增加了利用垃圾渗滤液厌氧污泥生物强化严重酸化反应器的研究。发现垃圾渗滤液厌氧消化污泥具有更好的耐酸特性，能够修复严重酸化的反应器（pH低于5.0），使其短时间内恢复产气，pH提升至7.5以上。垃圾渗滤液厌氧污泥为耐酸产甲烷菌群的研究提供新的思路。