基于宏组学研究有机垃圾厌氧消化起泡的微生物学机制

The mechanism of foaming during anaerobic digestion (AD) of organic waste remains unclear. Thus, based on the microbial response to disturbance, this study will investigate the change of microbial community structure and metabolic function during AD foaming. Physicochemical analysis techniques and molecular biological techniques including MiSeq high-throughput sequencing, metagenomics and metaproteomics will be performed. This project is expected to 1) find the specific compounds related to foaming, and clarify the physicochemical mechanism of foaming phenomenon induced by disturbance; 2) identify the specific microorganism contributed to foam formation, and define its functional genesis; 3) explore the mechanisms of metabolic repression, and reveal the fundamental cause of foaming. The achievement of this study can provide theoretical foundation and technical support for the development of microbial control technology, which can be conductive to ensuring the efficient and stable operation of AD of organic waste.

针对有机垃圾厌氧消化（Anaerobic digestion，AD）起泡机理不明确的问题，本项目以微生物对扰动的响应为出发点，结合理化分析手段，以及MiSeq高通量测序、宏基因组学、宏蛋白质组学等分子生物学技术，研究有机垃圾AD起泡过程中微生物群落结构演替以及微生物代谢功能变化特征。在此基础上，1）明确起泡相关的特征化合物，解析扰动诱导起泡的理化机制；2）鉴别起泡相关的特征微生物，阐明其引发泡沫的功能成因；3）探寻功能代谢阻遏机制，揭示起泡的根源。本项目研究成果可为微生物调控策略的研发提供理论依据和技术支撑，有助于保障有机垃圾AD系统高效稳定运行。

过程稳定性差是困扰有机废物厌氧消化（Anaerobic digestion，AD）过程高效稳定运行的一大难题，其中，起泡现象频繁发生。为探析有机废物AD系统的起泡机理，本项目分别以超有机负荷和温度波动方式诱导有机废物AD反应器起泡。在对反应器运行效率及稳定性参数分析的同时，监测AD主要代谢产物（如VFA、丙酮酸、胞外聚合物等）以及起泡特征指标（泡沫量、粘度、疏水性等）。基于统计学分析结果，探讨了起泡相关的特征化合物，解析了扰动诱导起泡的理化机制。在此基础上，利用MiSeq高通量测序技术，揭示反应器运行过程中微生物群落结构演替特征，并根据差异性分析结果，探寻AD起泡相关的潜在特征微生物。通过宏基因组学、宏蛋白质组学技术研究有机垃圾AD起泡过程中微生物代谢功能变化特征，阐明其引发泡沫的功能成因。并基于此揭示了起泡的根本原因。结果表明，稳定运行的AD系统由于长期发酵高含氮有机底物，逐渐积累TAN。此时引入的扰动（如超有机负荷、温度扰动），促使TAN进一步积累，并提升了系统缓冲容量，pH值随之升高，这使得氨氮平衡向微生物毒性更高的FAN转移。积累到一定程度将对系统微生物活性产生抑制作用，尤其是对氨氮毒性敏感的产甲烷菌，导致系统耗酸产甲烷的能力降低，相对而言产酸（尤其是丙酸和丁酸）过程活性的提升，打破了系统酸平衡，使得系统中积累了高浓度的VFA（尤其是丙酸、丁酸）。与此同时，发酵产乳酸的Turicibacter、Lactobacillus属，以及可产生具有表面活性的EPS的Bacillus、Acinetobacter属大量繁殖，其分泌的表面活性物质和系统积累的VFA共同降低消化污泥的表面张力，增大其起泡趋势。另外，自身细胞具有疏水性的Dietzia、Streptococcus属以及可形成丝状结构的Lysinibacillus属，在微气泡周围聚集，进一步强化泡沫的稳定性，促进泡沫的长时间富集。本项目研究成果可为微生物调控策略的研发提供理论依据和技术支撑，有助于保障有机垃圾AD系统高效稳定运行。