近日，中國科學院上海高等研究員史吉平研究員、劉莉研究員團隊在微生物協(xié)同強化餐廚垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷方面取得進展，研究成果以“Synergistic bioaugmentation with Clostridium thermopalmarium and Caldibacillus thermoamylovorans improved methane production from thermophilic anaerobic digestion of food waste”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal期刊上(https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148372)。該研究探究了熱棕櫚梭菌Clostridium thermopalmarium與熱淀粉芽孢桿菌Caldibacillus thermoamylovorans協(xié)同生物強化餐廚垃圾高溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的性能，證實了多菌株協(xié)同生物強化比單菌株生物強化具有更顯著的產(chǎn)甲烷效果，并通過微生物群落結(jié)構(gòu)和宏基因組學分析深入解析了多菌株協(xié)同生物強化厭氧發(fā)酵機制，揭示了多菌株協(xié)同生物強化可有效提高微生物群落的均勻度和多樣性，富集微生物菌群中的碳水化合物降解菌和蛋白質(zhì)降解菌，提高大分子有機物水解、三羧酸循環(huán)以及氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷途徑關(guān)鍵酶的基因豐度。本研究為餐廚垃圾處理提供了一種可以有效提高甲烷產(chǎn)量的協(xié)同生物強化策略。

圖1. 多菌株協(xié)同生物強化提高厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷性能示意圖

　　高溫厭氧發(fā)酵可以將餐廚垃圾中的大分子有機物通過微生物的生長代謝轉(zhuǎn)化為甲烷，同時有效殺滅致病菌和蟲卵，是實現(xiàn)餐廚垃圾資源化、無害化、減量化的常用處理技術(shù)之一。但高溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)仍存在功能微生物種類少、濃度低、活性差的問題，形成產(chǎn)氣率低、穩(wěn)定性差的技術(shù)瓶頸。

　　針對上述問題，該團隊提出了一種熱棕櫚梭菌與熱淀粉芽孢桿菌協(xié)同生物強化厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的策略，旨在通過增加餐廚垃圾高溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中功能微生物的數(shù)量，調(diào)節(jié)微生物群落結(jié)構(gòu)，提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而根本上改善高溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的性能。同時將兩種功能微生物的優(yōu)勢結(jié)合起來，突破單一菌種功能的局限性。研究結(jié)果表明，協(xié)同生物強化組相比于對照組提高了24.77% 1.98%，強化效果顯著優(yōu)于單一強化組。微生物群落結(jié)構(gòu)組成分析顯示協(xié)同生物強化增加了碳水化合物降解菌Lentimicrobium和Caldicoprobacter，以及蛋白質(zhì)降解菌Fastidiosipila和Keratinibaculum的相對豐度。此外，與有機物水解，特別是碳水化合物、蛋白質(zhì)水解，以及三羧酸循環(huán)和氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷途徑相關(guān)的關(guān)鍵基因豐度在協(xié)同生物強化組中得到了顯著提高。該研究利用不同功能微生物協(xié)同強化厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的策略為有機固廢處理和生物能源生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

圖2. 多菌株協(xié)同生物強化對關(guān)鍵代謝途徑的功能基因的影響

　　論文的第一作者為上海高等研究院博士研究生肖夢瑤，通訊作者為劉莉研究員。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃“固廢資源化”專項“城鎮(zhèn)易腐有機固廢生物轉(zhuǎn)化與二次污染控制技術(shù)”的資助。