英文原题：Deciphering the role of conductive materials on the interaction between syntrophic bacteria and hydrogenotrophic methanogens: From kinetics to microbial pathways
通讯作者：昝飞翔，华中科技大学
作者：Muxiang Liang, Qi Chang, Xiaoming Liu, Gang Guo, Jing Chen, Xiaohui Wu, Guanghao Chen, Feixiang Zan*
近日，华中科技大学昝飞翔副研究员团队详细阐述了氢型产甲烷过程的关键环节，并从多个角度揭示了导电材料对氢型产甲烷途径中互营微生物的促进机制，为有机固废高效厌氧消化提供了全新的研究视角和解决方案。
厌氧消化(AD)是一种可持续的有机固废资源化绿技术。在AD过程中，有机底物在厌氧微生物复杂的代谢作用下最终转化为甲烷。生物产甲烷通常由两大代谢路径组成，分别是以乙酸为底物的乙酸型产甲烷途径和以氢气和二氧化碳为底物的氢型产甲烷途径，由于热力学的限制，乙酸型产甲烷途径通常在这两种途径中占到优势，而氢型产甲烷菌具有更高的抗抑制能力，常常在高氨氮等不利环境中占据主导，对反应器的稳定运行起到关键作用，但其高度依赖氢型产甲烷菌和有机酸氧化菌的协同作用。
尽管投加导电材料被认为是提高厌氧消化过程的有效手段，但其对氢型产甲烷过程的影响尚不全面。本研究使用了两种典型的导电材料，生物炭和铁粉作为研究对象，以实验室培养的含95%氢型产甲烷菌的厌氧污泥作为接种物，并采用了两种代表性的有机底物，厨余垃圾和活性污泥，作为复杂底物。对产甲烷性能、动力学特性、挥发性脂肪酸（VFAs）降解情况、微生物群落组成以及相关代谢途径进行了综合评估和讨论。
图1. 累积甲烷产量与导电材料的协同剂量。R0-对照组；R1-纯生物炭投加组；R2-R4:铁粉生物炭协同投加组；R5-纯铁粉投加组。
实验结果表明，所有组别均在一天内展现出快速的产甲烷过程，后续为缓慢的上升阶段。在R0（未添加导电材料的对照组）中观察到了两个明显的平台期。第一个平台期持续了5天，通常可以被定义为厌氧消化过程中的适应阶段，之后进入指数增长期（第6-15天）。第二个平台期随后出现并持续了7天，之后甲烷产量增加，并在第27天达到稳定。相较之下，在实验组（即R1-R5）中，整个实验期间仅观察到一个明显的平台期。此外，研究发现，铁粉比生物炭更有效地提高甲烷产量。
图2. 累积的甲烷产量和拟合曲线。
实验发现，该体系下的产甲烷趋势无法用单独的一级动力学模型或者改良Gompertz模型拟合，因此在动力学模拟上，将一个一级动力学模型和两个改良Gompertz模型叠加，良好的拟合了这种复杂的产甲烷过程。
图3. (a) pH值的变化；(b) 乙酸盐；(c) 丙酸盐；(d) 丁酸盐；(e) R0中VFAs和甲烷产量；(f) R3中VFAs和甲烷产量。
挥发性有机酸（VFAs）的变化过程表明，投加导电材料加速了乙酸、丙酸和丁酸的转化。在氢型产甲烷菌占主导的厌氧系统中，VFAs以乙酸-丁酸-丙酸的顺序依次降解，并且在R0中，丁酸和乙酸降解过程中间出现了长达10天的过渡期。而投加导电材料不仅加快了有机酸的降解速率，并且削减了这个过渡期，大幅缩短了厌氧消化周期。表明氢型产甲烷作用的提升主要源于对丙酸盐氧化的促进作用。
图4. 相关代谢路径功能基因预测
相关微生物群落的变化以及代谢路径的预测发现，不同导电材料对特定的互营氧化菌有选择作用，代谢路径预测结果也显示，丙酸代谢和氢型产甲烷过程被显著促进。
综上所述，高效的丙酸盐氧化是在氢型产甲烷途径为主的厌氧消系统中的一个关键过程，导电材料的投加显著促进了这一过程。此外，微生物群落和代谢途径分析揭示了生物炭和铁粉在互营细菌选择上的差异。总的来说，嗜氢产甲烷菌对厌氧消化过程至关重要，它通过消耗氢气进行产甲烷并确保VFA的氧化。因此，开发一种实用的技术来加强其与互营氧化细菌之间的协作是非常重要的。这项研究提供了对导电材料促进厌氧消化的新认识，并为加强以氢型产甲烷为主的厌氧系统提供了一个潜在的解决方案。
相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，华中科技大学博士研究生梁慕翔为文章的第一作者，昝飞翔副研究员为通讯作者。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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