甲烷氧化菌—微藻共生体系的油脂强化产生机制

Biogas contains a large amount of CO2, which is nonflammable. Therefore, it is uneconomic to burn the biogas for electricity or heating. The methanotrophs-microalgae symbiotic system can simultaneously utilize CH4 and CO2 in biogas and increase its added value by reducing greenhouse gas emission, generating bio-oil, and removing nitrogen and phosphorus in wastewater. The project aims to improve the bio-oil production of methanotrophs-microalgae symbiotic system. Firstly, the predominant combination of bacteria and algae will be established, and the plate-membrane bioreactor will be used as the microbial carrier. The formation mechanism of methanotrophs-microalgae biofilm will be investigated for strengthening the establishment process of methanotrophs-microalgae symbiotic system in the membrane. Then the reaction condition will be controlled and 13C stable isotope tracer technique will be used to analyze the interaction between methanotrophs and microalgae, as well as the production, consumption and transmission pathway of methanol, which is the intermediate product of methane oxidation. Finally, a reasonable biofilm recovery strategy will be established by optimizing reaction conditions. And based on the mathematical model of the plate membrane bioreactor, the bio-oil accumulation process in the methanotrophs-microalgae symbiotic system will be simulated and optimized for producing more bio-oil. The research results will provide a new perspective for improving the added value of biogas, strengthening the bio-oil production of microalgae by mixotrophic cultivation and removing of nitrogen and phosphorus in wastewater. It has important scientific significance and practical application value.

沼气含有大量二氧化碳等不可燃气体，直接燃烧发电或供暖的价值较低。甲烷氧化菌—微藻共生体系能够同时利用沼气中的甲烷和二氧化碳，不仅减少温室气体排放，而且能产生生物油脂并同时去除废水中的氮磷，实现沼气附加值的提升。本项目以提高甲烷氧化菌—微藻共生体系的油脂产量为研究对象，首先确立优势菌藻组合，随后以平板膜生物反应器为研究载体，通过探究菌藻相互聚集形成生物膜的机制，强化菌藻共生体系在膜材料上的建立过程。接着通过控制反应条件并结合13C稳定同位素示踪方法，解析菌藻之间的相互作用关系以及甲烷氧化中间产物甲醇的产生、消耗及传递路径。最后通过优化条件，建立合理的生物膜采收策略，并基于平板膜生物反应器的数学模型来模拟和优化菌藻共生体系的油脂积累过程，实现促进微藻产生更多油脂的目标。研究成果将为沼气附加值的提升、混养模式强化微藻油脂产生及废水中氮磷的去除提供新的思路，具有重要的科学意义和实际应用价值。

利用有机废弃物厌氧发酵生产沼气，有助于“碳中和”目标的实现，但沼气含有大量二氧化碳等不可燃气体，直接燃烧发电或供暖的价值较低，而且其收集、存储、运输方面的劣势限制了沼气的应用。甲烷氧化菌—微藻共生体系能够同时利用沼气中的甲烷和二氧化碳，不仅减少温室气体排放，而且能产生生物油脂，并同时去除废水中的氮磷，实现沼气附加值的提升。本研究以提高沼气培养微藻油脂产率为目标，解析菌藻之间的相互作用关系以及甲烷氧化中间产物的产生、消耗及传递路径；确立优势菌藻组合，以平板膜生物反应器为研究载体，通过探究菌藻相互聚集形成生物膜的机制，强化菌藻共生体系在膜材料上的建立过程，并通过优化条件，建立合理的生物膜采收策略，并基于平板膜生物反应器的数学模型来模拟和优化菌藻共生体系的油脂积累过程。已完成的主要内容包括：（1）建立了微藻-甲烷氧化菌共生关系，不依赖外部供氧，同时消耗甲烷和二氧化碳，实现生物质的积累。其中微藻以混养生长的形式生长，所需的有机底物来自甲烷氧化菌转化甲烷，甲烷氧化菌则以“生物催化剂”的身份存在。微藻-甲烷氧化菌共培养中微藻的混养提高了微藻的最大生物量，加速了氮的消耗，促进了油脂的积累，改善了生物柴油的品质;（2）建立了微藻供氧的甲烷氧化菌脱氮系统，对氨氮的去除主要通过甲烷氧化菌的同化，最大氨去除速率为53.2 mg/（L·d），对硝氮的去除是通过甲烷氧化菌的同化协同反硝化，其中甲烷氧化菌的同化贡献率达到45%。甲烷氧化菌通过同化氨氮/硝氮合成生物蛋白，粗蛋白最高可达细胞干重的52.2%；（3）建立了微藻-甲烷氧化菌平板膜生物反应器，可利用该反应器同步脱氮和产油。最大氮去除率可达87%，最大氮去除速率可达 130 μg/h，油脂产量为156.7 g/m2。本课题研究成果将为沼气附加值的提升、混养模式强化微藻油脂产生及废水中氮磷的去除提供新的思路，具有重要的科学意义和实际应用价值。