高负荷餐厨垃圾在厌氧消化过程中往往伴随挥发性脂肪酸(VFAs)累积，而高浓度VFAs则将严重抑制底物的降解和甲烷的产生，被认为是导致系统性能下降甚至反应体系崩溃的重要因素。鉴于厌氧消化的本质是水解菌、产酸菌、产乙酸菌和产甲烷菌等多种微生物协同降解有机物生产甲烷的过程，从微生物的角度解析VFAs抑制机制有助于从源头查明失稳原因。目前鲜有文献介绍关于厌氧消化VFAs抑制的生物学机理的研究及从源头改善VFAs抑制问题的方法。
近期，中国科学院广州能源研究所研究人员通过逐步提高有机负荷诱导VFAs累积，分析了VFAs胁迫下微生物菌群结构演变特征，并着重阐述了高浓度VFAs下细菌和产甲烷菌对压力环境的差异性响应。在此基础上，利用驯化获得的耐酸产甲烷菌系对VFAs抑制厌氧消化反应器进行菌群定向重组，评价其人工调控效果，并揭示菌群重组强化VFAs抑制产甲烷过程机理。
图1. VFAs累积对细菌和产甲烷菌代谢的影响。
研究发现，随着有机负荷的逐步提高，累积的VFAs降低了丙酸盐氧化产乙酸菌及产甲烷菌的丰度，并允许水解酸化细菌占主导地位，有序的微生物代谢网络失衡，从而扰乱了甲烷的产生过程。宏基因组技术分析结果显示，高浓度VFAs促进了系统中与活性氧(ROS)代谢途径相关的功能基因丰度，表明持续增高的VFAs浓度为微生物施加了压力环境，激发了微生物的应激反应。相比于古菌(cat,gpx,sod)，细菌能够编码更多种抗氧化代谢基因(cat,gpx,sod,fur,katG,nifH)(图1)，说明产甲烷菌抵抗压力环境能力较弱，这被认为是产甲烷菌活性受抑制的主要原因之一。因此定向重组菌群，提高反应器中耐酸产甲烷菌群的丰度是促进高负荷厨余垃圾产甲烷的关键。
实验结果表明，通过定向投加耐酸产甲烷菌群，反应器R1平均甲烷产率可提高至563.6±159.8 mL/L·d，VFAs含量低于检测水平，其强化效果可持续80天以上（图2）。代谢产物及微生物群落分析表明，定向投加的耐酸菌属Syntrophomonas, Syntrophobacter,Methanothrix可以适应VFAs胁迫环境，并显示出成长优势，可以有效加速甲烷化过程(图1)；此外基因功能分析表明系统产甲烷菌群内与ROS代谢途径相关的功能基因丰度显著下降（图3）。以上结果表明菌群重组可有效缓解系统内环境压力，恢复甲烷产量。在对照组反应器R2中，添加非驯化的普适性浓缩菌液可短暂性提高甲烷产量，但在48天后迅速崩溃（图2）；产甲烷菌群内与ROS代谢相关的基因丰度持续提高（图3），表明反应器内产甲烷菌群不具备压力耐受性，并持续承受环境压力刺激，导致其生理功能抑制或受损。
图2.不同组厌氧反应器运行性能示意图：a)R1人工群落重组反应器甲烷产量；b) R1人工群落重组反应器VFAs含量变化；c) R2浓缩菌液强化组反应器甲烷产量；d) R2浓缩菌液强化组反应器VFAs含量变化。
图3.各组反应器产甲烷菌群内基因丰度的变化
该研究揭示了高浓度VFAs刺激微生物产生ROS的抑制机理，并证实了通过人工群落组装可提高系统内微生物群落对压力环境的抵抗能力，促进产甲烷过程，从而提高厨余垃圾厌氧发酵性能，为缓解高有机负荷厌氧消化过程提供了理论基础及技术指导。
以上研究成果以Microbiome re-assembly boosts anaerobic digestion under volatile fatty acid inhibition: focusing on reactive oxygen species metabolism为题发表于Water Research期刊，广州能源所生物质能生化转化研究室博士后闫淼为该论文第一作者，李颖研究员为通讯作者。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120711
上述研究得到国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、广东省基金面上项目等支持。