近期，广州能源所生物质能生化转化研究室生物燃气课题组在产甲烷菌系强化牛粪-秸秆低温厌氧发酵方面取得系列研究进展，通过投加产甲烷菌系有效解决了低温厌氧发酵启动慢、甲烷产率低等问题，并揭示了生物强化低温厌氧发酵机理，相关研究成果在Chemical Engineering Journal, Bioresource Technology等期刊上相继发表，主要的研究成果如下：
1．投加中温/低温产甲烷菌系强化牛粪-秸秆低温共发酵
低温条件下发酵体系内的微生物菌群代谢活性降低，产甲烷古菌与产酸细菌相比对低温更敏感，产甲烷阶段受抑，产酸产甲烷阶段失衡，发生酸抑制，产气性能下降。针对这一问题，分别投加实验室长期驯化获得的中温及低温产甲烷菌系，对低温（20℃）批式牛粪-秸秆混合发酵进行生物强化，研究发现：强化体系的甲烷产率提升4倍以上，T80缩短20~30 d。产甲烷菌系的投加优化了发酵体系内的微生物群落结构，丙酸氧化菌（Peptococcaeae）及乙酸型产甲烷菌（Methanothrix）的相对丰度在强化体系内显著增加，促进了丙酸和乙酸的降解，使产酸与产甲烷阶段维持平衡，避免酸抑制，从而提高发酵性能。
图1. 低温产甲烷菌系强化牛粪-秸秆低温共发酵
以上研究成果分别以Bioaugmentation with cold-tolerant methanogenic culture to boost methane production from anaerobic co-digestion of cattle manure and corn straw at 20℃及Bioaugmentation improves batch psychrophilic anaerobic co-digestion of cattle manure and corn straw为题发表于Chemical Engineering Journal及Bioresource Technology。两篇论文第一作者均为硕士毕业生许芯蕊，通讯作者为李颖研究员。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143183；https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126118
2．低温厌氧发酵生物强化机制
揭示了产甲烷古菌比细菌耐冷能力差的原因，即在低温条件下，细菌编码多种耐冷基因，如HslJ, Hsp15, CspA, MerR, HtpX, HspQ，而古菌仅编码两种耐冷基因（Htpx, CspA），导致古菌在低温下倍增速率明显低于细菌。因此提高反应器中产甲烷菌的丰度及其耐冷能力是促进低温产甲烷的关键，通过外源投加产甲烷菌系进行生物强化，可人为干预改变厌氧发酵系统内微生物组成，定向提高关键产甲烷菌生物量，促进产甲烷进程。
图2. 低温厌氧发酵的生物强化及微生物对低温的响应机制
该研究成果以Effect of bioaugmentation on psychrotrophic anaerobic digestion: Bioreactor performance, microbial community, and cellular metabolic response为题发表于Chemical Engineering Journal。第一作者为博士后闫淼，通讯作者为李颖研究员，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140173。
以上研究揭示了低温下厌氧产甲烷的微生物强化机理，构建了性能优越的低温发酵强化体系，在微生物层面对体系靶向调控；有效促进目标底物降解效率、缩短发酵周期、缓解体系酸抑制、提升低温厌氧发酵性能，为寒区沼气工程在冬季的稳定运行提供新思路及理论依据。
上述研究得到国家自然科学基金面上项目、中国科学院青年创新促进会、中国科学院战略性先导科技专项A等项目支持。
