厭氧消化是一種高效處理有機(jī)廢棄物并產(chǎn)生可再生能源的重要方法，其產(chǎn)生的沼氣可以提純制備生物天然氣。生物天然氣作為一種綠色、低碳、可再生的能源，能夠補(bǔ)充能源供應(yīng)并加強(qiáng)能源安全。特別是在全球能源市場不穩(wěn)定的背景下，生物天然氣成為重要的能源來源之一。并且，隨著歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制(CBAM)的實(shí)施，進(jìn)行綠氣認(rèn)證的生物天然氣溢價能力進(jìn)一步提高。這使得厭氧消化在研究和工程應(yīng)用中越來越受到關(guān)注。厭氧消化的原料濃度越高，產(chǎn)氣能力就越高。然而，乙酸作為連接產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷過程的關(guān)鍵中間代謝產(chǎn)物，隨著原料濃度的升高，其濃度也會升高。乙酸濃度過高會對系統(tǒng)造成沖擊，導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。一旦系統(tǒng)崩潰，恢復(fù)時間較長，對項(xiàng)目造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

中國科學(xué)院成都生物研究所生物質(zhì)廢棄物資源化利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)成員曹沁青年副研究員和李東研究員構(gòu)建了一個實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，并以乙酸作為唯一底物。在逐步提高乙酸容積負(fù)荷（VLR）的過程中（VLR從0.2 逐步提升到5.0 g/(L·d)），監(jiān)測了系統(tǒng)的理化指標(biāo)變化（容積產(chǎn)氣率、甲烷濃度、揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）濃度、堿度、pH等），以及進(jìn)行了群落多樣性分析和宏基因組分析。研究結(jié)果表明，當(dāng)乙酸VLR達(dá)到一定程度時，系統(tǒng)會發(fā)生揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）沖擊，導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降。然而，系統(tǒng)可以通過功能微生物的冗余性來緩解這種沖擊。在第一次VFAs沖擊中(VLR 0.8 g/(L·d))，產(chǎn)甲烷菌Methanosarcina可以迅速消耗乙酸，從而減輕酸抑制。在第二次和第三次VFAs沖擊中（VLR 2.7和4.4 g/(L·d)），互營乙酸/丁酸/丙酸氧化細(xì)菌（如Synergistaceae、Spirochaetaceae、Cloacimonas、DMER64和Petrimonas）以及產(chǎn)甲烷菌Methanosarcina?mazei和Methanosaeta的冗余性發(fā)揮了重要作用。這些功能微生物通過不同的代謝途徑消耗乙酸和其他VFAs，從而維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，乙酸型產(chǎn)甲烷菌Methanosaeta和一種新型的互營丙酸氧化菌Petrimonas在第三次沖擊后相對豐度顯著提高。本研究表明，功能微生物的冗余性是厭氧消化系統(tǒng)應(yīng)對VFAs沖擊的重要機(jī)制。

本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2023YFC3905803)和國家自然科學(xué)基金（32301279）的支持。相關(guān)科研成果“The metabolic redundancy relieving VFAs shocks in anaerobic digestion system exposed sequentially to increasing acetic acid loading”發(fā)表在Chemical Engineering Journal期刊上。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159791

高負(fù)荷乙酸互營氧化產(chǎn)甲烷菌系的互營代謝冗余性