近日，中國科學(xué)院上海高等研究院史吉平研究員、劉莉研究員團(tuán)隊(duì)在基于宏基因組學(xué)的餐廚垃圾多組份協(xié)同高溫厭氧消化產(chǎn)甲烷強(qiáng)化策略的機(jī)理研究方面取得進(jìn)展，研究成果以“Metagenomic characterization of the enhanced performance of multicomponent synergistic thermophilic anaerobic co-digestion of food waste utilizing kitchen waste or garden waste as co-substrate”為題發(fā)表在Water Research期刊上(https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120457)。該研究探究了餐廚垃圾協(xié)同廚余垃圾（或園林垃圾）高溫厭氧共消化的產(chǎn)氣性能，確定了最佳的底物混配比例，并通過宏基因組學(xué)深入解析了底物協(xié)同厭氧消化機(jī)制，證實(shí)了共消化可以富集微生物菌群中的關(guān)鍵水解菌和嗜氫產(chǎn)甲烷菌，揭示了水解和產(chǎn)甲烷階段編碼關(guān)鍵酶的基因豐度的提高對(duì)強(qiáng)化產(chǎn)甲烷的促進(jìn)作用，提供了一種基于優(yōu)化微生物生境的低成本物料調(diào)配技術(shù)以提高甲烷產(chǎn)量。

　　圖1. 餐廚垃圾高溫厭氧共消化提高產(chǎn)甲烷性能示意圖

　　我國實(shí)行垃圾分類后產(chǎn)生的餐廚垃圾的低碳生物處理和資源化、能源化利用，對(duì)于無廢城市建設(shè)和雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，都具有重要意義。厭氧消化產(chǎn)甲烷是目前餐廚垃圾處理的主流技術(shù)。然而，餐廚垃圾由于油脂和鹽分含量高、碳氮比低，導(dǎo)致厭氧消化過程中產(chǎn)氣率和生物轉(zhuǎn)化率低等技術(shù)瓶頸問題，亟待尋找一種低成本高效率的厭氧消化產(chǎn)甲烷技術(shù)。

　　針對(duì)上述問題，該團(tuán)隊(duì)在餐廚垃圾高溫厭氧消化系統(tǒng)中添加廚余垃圾或者園林垃圾進(jìn)行共消化，旨在調(diào)節(jié)底物C/N、pH值和難降解組分與易降解組分的比例，以減弱有害物質(zhì)對(duì)微生物生長(zhǎng)代謝的影響，防止過度酸敗和氨氮抑制，從而提高甲烷產(chǎn)量和有機(jī)物轉(zhuǎn)化率。研究結(jié)果表明，與單一餐廚垃圾組相比，最佳配比為餐廚垃圾：廚余垃圾=60:40和餐廚垃圾：園林垃圾=80:20組的產(chǎn)氣量分別提高了73.33%和68.45%。微生物群落結(jié)構(gòu)組成分析顯示共消化增加了優(yōu)勢(shì)水解菌Defluviitoga和Hydrogenispora以及嗜氫產(chǎn)甲烷菌Methanoculleus的相對(duì)豐度。此外，與水解和產(chǎn)甲烷途徑相關(guān)的關(guān)鍵基因豐度在共消化組中得到了顯著提高。該研究利用不同有機(jī)固廢原料作為餐廚垃圾共消化底物加強(qiáng)厭氧消化產(chǎn)氣性能的策略為有機(jī)固廢處理和生物能源生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

　　圖2. 厭氧共消化對(duì)功能基因的影響

　　論文的第一作者為上海高等研究院博士研究生張斯穎，通訊作者為史吉平研究員和劉莉研究員。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“固廢資源化”專項(xiàng)“城鎮(zhèn)易腐有機(jī)固廢生物轉(zhuǎn)化與二次污染控制技術(shù)”的資助，并獲得了中國循環(huán)經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。