生物强化解除厌氧发酵酸抑制的模式构建及机理研究

In the process of producing methane with high concentration of anaerobic digestion, the inhibition caused by the accumulation of the volatile fatty acids (VFAs) is an urgent problem to be solved. Bioaugmentation is the way to effectively remove the volatile fatty acids to improve gas production, however, bioaugmentation seeds are still poor stability, vulnerable to environmental impact and their enhancement is difficult to endure. Therefore, in order to construct a stable and efficient bioaugmentation system and study its mechanism of action, this project will use the microbial flocculant on the construction of the bioaugmentation flocculation culture with methanogenic propionate-degrading microbial community (containing propionic oxidation bacteria, hydrogenotrophic methanogens and acetoclastic methanogens) which has been obtained by our laboratory. Then study the bioaugmention method with methanogenic propionate-degrading flocculation culture to enhance the performance of the anaerobic digestion targeting propionic acid and acetic acid, which are easily accumulated in anaerobic fermentation. During the bioaugmention, three metabolic steps are all enhanced including propionate degradation, acetoclastic methanogensis and hydrogenotrophic methanogensis. The performance efficiency of bioaugmentation will be analyzed and evaluated as well. In addition, the mechanism of bioaugmentation will be revealed in the terms of the quantity of functional biomass, microbial community structure, gene function difference and microbial metabolic network. The completion of the project will provide a new bioaugmentation model for solving VFAs inhibition in anaerobic digestion process and provide a theoretical basis for further optimization of bioaugmentation efficiency .

在实现高浓度厌氧发酵产甲烷进程中，挥发性有机酸累积导致的酸抑制是亟需解决的问题。利用生物强化方式可有效解除酸抑制提高产气，但生物强化菌剂仍存在稳定性差、易受到环境冲击及作用时间难以持久等问题，因此，为构建稳定高效的生物强化体系并研究其作用机制。本项目拟利用微生物絮凝剂对实验室已获得的丙酸产甲烷菌系（含有互营丙酸氧化菌群、氢型产甲烷菌群及乙酸裂解产甲烷菌群）进行絮凝培养，构建混合菌系聚凝体，以厌氧发酵中极易累积的丙酸、乙酸为目标底物，对丙酸氧化为乙酸，乙酸产甲烷及H2+CO2产甲烷三个代谢步骤进行整体的生态强化，探讨解除酸抑制的生物强化模式，分析评价生物强化的作用效果，并从功能菌生物量、微生物群落结构及基因功能差异等方面揭示生物强化机理。项目的完成将为生物强化技术解除厌氧发酵酸抑制提供新模式，并为进一步优化生物强化性能提供理论基础。

在实现高浓度厌氧发酵产甲烷进程中，挥发性脂肪酸累积导致的酸抑制是亟需解决的问题，因此，本项目驯化了解除酸抑制的耐酸产甲烷菌系；分别对不同原料厌氧发酵发生酸抑制的体系进行生物强化，构建不同原料不同酸抑制程度下生物强化模式；并从微生物群落结构演替、微生物网络关系、基因功能差异及产甲烷代谢途径等方面揭示生物强化作用机理。执行期内发表SCI论文6篇（5篇TOP），申请专利1项，培养硕士生3名。重要结果如下：.1）生物强化菌系驯化：驯化获得耐酸产甲烷菌，可在pH为5.0左右丙酸产甲烷，该菌群的优势微生物为互营丙酸氧化细菌，乙酸型产甲烷菌及氢型产甲烷菌，酸性条件下具有特殊的丙酸代谢途径，即Smithella将部分丙酸歧化为乙酸和丁酸后 Syntrophomonas通过ß-氧化作用氧化丁酸为乙酸。.2）生物强化解除酸抑制的模式构建：证实了添加丙酸产甲烷菌群可缓解酸抑制，促进高C/N比原料、能源草及餐厨垃圾厌氧发酵性能；并针对不同原料及酸抑制程度的发酵体系，优化菌系添加形式、添加剂量及添加频率，形成了低成本的生物强化模式；在实验室研究基础上，提出在沼气工程中自给自足的生物强化模式，并以餐厨垃圾生物强化为例初步分析了经济可行性，确定了通过优化菌剂投加剂量及频率可实现生物强化经济可行。.3）揭示生物强化解除酸抑制的机理：在物质代谢方面：投加丙酸产甲烷菌系可加速丙酸降解，提高乙酸产甲烷及H2+CO2产甲烷进程，避免水解产酸与产甲烷不平衡导致的酸抑制；在微生物方面：生物强化可调整微生物群落结构，提高有益功能菌群的生物量，增强了微生物参与膜运输及细胞运动的基因功能；促进了涉及乙酰辅酶A，辅酶B，辅酶M和F420的产甲烷途径代谢模块，从而提高产甲烷性能。.本项目获得产甲烷菌系可开发生物强化菌剂产品，在沼气工程快速启动，促进酸败恢复，提高厌氧发酵有机负荷及增加沼气工程经济效益等方面具有应用价值及前景。