两相厌氧消化体系中关联微生物的种间协同作用研究

In traditional single-phase anaerobic digestion, different microbial flora mixed together for degradation, which was a simple operation and easy control. It was difficult to reach a high gas production because different degradation was in the same fermentative condition. It was impossible to regulate the fermentative process with an optimum control. This study is based on an improved two-phase anaerobic digestion on organic waste, which separate hydrolytic acidification and methanogenesis belongs to two different reactors. We focus on diversity analysis of microbial flora structure of activated sludge in different reactors by their respective influence on different substrate degradation rate. We also want to know the synergic relationship of related microflora linked by inter-species hydrogen transfer. We have the intention to get a model of synergic metabolic mechanism of anaerobic digestion, which can explain the syntrophism and intergeneration between hydrogen-production and methane-production flora to overcome energy barriers and degradate recalcitrant waste for normal life metabolic activity.

在传统的单相厌氧消化系统中，不同微生物菌群混合发酵，过程操作简单且参数易于控制，但不同的消化过程均在相同的环境中发生，无法对各阶段反应进行最佳调控，难以达到较高的产气率；本研究课题采用改进的两相厌氧消化技术处理有机废弃物，将水解酸化和厌氧产甲烷过程分离，通过厌氧消化产氢产甲烷反应器耦联，分析两相活性污泥稳定性对基质降解速率的影响，并开展不同反应器内活性污泥群落结构多样性分析，找出以种间氢转移为纽带的关联微生物群落协同关系，提出一种可能的厌氧消化协同代谢机制模型，揭示产氢产甲烷菌群之间互养共栖、相生相伴并克服能量障碍、降解自身不能消化的有机物的正常生命代谢活动规律。

根据国家基金要求，本课题任务通过对两相厌氧消化产氢产甲烷耦联研究、优势菌群活性污泥稳定性研究、互营养共栖微生物群落结构研究，实现两相厌氧消化耦联体系能源回收利用最大化，并探讨协同作用下微生物群落结构变化关系。项目完成了以下研究内容：.A：产氢产甲烷耦联研究：以富含木质纤维原料的猪粪和牛粪，建立的具有最佳产能效率的产氢产甲烷联合发酵方法，其能源转换效率分别为44.06%、28.15%，分别高出猪粪单独产氢发酵和单独产甲烷发酵29.63%和11.26%，和牛粪单独产氢发酵和单独产甲烷发酵18.39%和2.35%。.B：优势菌群活性污泥稳定性研究：采用16S rDNA扩增子测序和相关性分析法，对运行正常的沼气发酵系统中的微生物生态进行分析，结果表明水解细菌（纤维素水解菌、半纤维素水解菌、蛋白质水解菌、脂肪水解菌、单糖分解菌、氨基酸分解菌）、发酵产酸细菌、氢营养型产甲烷菌均是系统中优势的产甲烷菌，它们构成了稳定的沼气发酵微生物链群。.C：互营养共栖微生物群落结构研究：通过对产氢微生物、产甲烷微生物以及颗粒污泥的分子生态研究，评价了产氢产甲烷系统中优势微生物群落变化规律。根据实验获得的25种细菌和5种古菌，组合构建了可形成较完整的将纤维素、半纤维素、几丁质、淀粉、氨基酸和多肽转化为甲烷的代谢路径。.通过研究，目标完成情况。.一是获得了厌氧消化体系产氢产甲烷耦联新工艺与调控策略：包括营养型产甲烷菌的富集驯化、建立了稳定的两相厌氧消化系统、初步揭示反应器中优势菌群与沼气生产速率之间的正相关性。.二是初步获得了互营菌群群落结构与代谢路径的相关联系：运用16S rRNA功能分析，少数优势细菌和古菌之间形成了较稳定组合，在发酵中发挥关键或主导作用，细菌和古菌中的个别优势类群与沼气生产速率之间存在的显著性。.三是搭建了较系统的试验研究平台：建立了发酵原料产氢产甲烷潜力与特性研究平台、进一步完善了厌氧发酵环境生物学等研究平台。.四是人才培养：培养了硕士研究生3名，获得实用新型专利3项，发表论文30篇，出版专著5部。