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　　近日，中國科學院廣州能源研究所生物燃氣課題組在低溫厭氧消化的生物強化方面取得進展。他們利用經長期馴化獲得的產甲烷菌系對低溫連續厭氧發酵進行生物強化，評價生物強化效果；并從微生物群落組成及宏基因組學層面揭示了生物強化機制。相關研究發表于Chemical Engineering Journal。博士后閆淼為該論文第一作者，李穎研究員為通訊作者。

　　通過厭氧消化技術實現有機物廢棄物減量和生物質能源（甲烷）回收是當前國內外處理有機廢棄物的主流技術。微生物是有機廢棄物厭氧發酵的核心，其生長及代謝活性受溫度影響，大部分沼氣工程的發酵罐在中溫（37±2℃）或高溫（55±2℃）條件下運行可獲得最佳的發酵效率。但在我國寒區低溫季節，運行大型中溫或高溫發酵罐所需增保溫能耗極高，甚至超過產能的一半，造成經濟效益低，導致我國北方沼氣產量及規模均低于南方。雖然低溫厭氧發酵（20℃以下）具有能耗低優勢，但是低溫下微生物生長及代謝較緩慢，因此甲烷產量低。

　　低溫抑制厭氧發酵的主要原因。相比于細菌，古菌（主要指產甲烷菌）對低溫更敏感，能夠引起反應器內中間代謝產物產生和降解速度不平衡，造成揮發性脂肪酸累積和甲烷產量低；此外，細菌和古菌對溫度的響應也存在差異，研究人員利用宏組學技術結合KEGG代謝通路數據庫，發現古菌中僅編碼兩種耐冷基因（Htpx, CspA），但細菌中編碼多種耐冷基因，如HslJ, Hsp15, CspA, MerR, HtpX, HspQ，說明古菌的耐冷能力較差，導致古菌倍增速率明顯低于細菌。因此提高反應器中產甲烷菌的豐度及其耐冷能力是促進低溫產甲烷的關鍵。

　　為強化低溫厭氧發酵，向低溫抑制的發酵罐內投加了自主研發的丙酸產甲烷菌系，從而促進丙酸及乙酸降解，避免酸抑制，提高產甲烷性能。研究人員采用的連續式（每天投加一次菌系）和間歇式（每周投加一次菌系）兩種生物強化方法均具有顯著的解抑增效作用，可緩解丙酸的累積，恢復甲烷產量，強化效果在停止投加菌系后可維持至少14個水力停留時間（140天）。微生物群落分析表明，生物強化提高了嗜乙酸產甲烷菌（Methanothrix harundinacea和Methanosarcina flavescens）的相對豐度；產甲烷菌基因功能分析發現主導調控合成脂多糖以及谷胱甘肽的基因豐度顯著增多，這類代謝產物曾多次被報道有助于增強微生物適應惡劣環境的能力。

　　該研究揭示了低溫下厭氧甲烷化低效的微生物機理，并證實了外源投加菌系進行人為干預可改變厭氧發酵系統內微生物組成，定向提高關鍵產甲烷菌生物量，促進產甲烷進程，從而提高低溫厭氧發酵性能，為有機廢棄物低溫厭氧消化的生物強化技術形成及優化提供了理論基礎及指導。

　　上述研究得到國家自然科學基金面上項目、中科院戰略性先導科技專項A、中科院青年創新促進會等支持。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140173