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以厌氧消化（Anaerobic digestion,AD）为核心的沼气工程技术可将生物质能源转化为生物天然气,具有能源与环境的双重效应,可助力“碳达峰”、“碳中和”。然而,AD反应器运行过程中频繁的过程失稳现象制约了现有商业化沼气工程的经济可行性,限制了其后续的可持续发展。了解AD反应器过程失稳的特征,及时且准确的诊断过程稳定性,深入的探究过程失稳的机理,对保障AD反应器的稳定与高效运行具有重要的意义。在此背景下,本研究在实验室规模的狼尾草AD反应器中开展可控的批次和半连续式失稳模拟实验,基于理化分析,热力学解析、高通量测序、宏基因组学、宏蛋白组学技术及多元数理统计手段,研究了AD反应器过程失稳进程中各类状态指标及热力学指标的响应特征,并阐明了环境胁迫下AD系统过程失稳的代谢阻遏机理。主要的研究结果如下:（1）批次实验的结果表明,负荷胁迫（即接种比（Substrate-to-inoculums ratio,S/I））的持续增加将会加剧由挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acid,VFA）过度积累导致的酸化现象,进而减少甲烷回收率、降低产甲烷活性、延长停滞期甚至导致AD系统崩溃。微生物解析与热力学计算的耦合分析表明,各类关键VFA降解的吉布斯自由能（Gibbs free energy,△G）的变化与过程稳定性相关,且随着S/I的提升而逐步增加。在S/I=30时丙酸和乙酸氧化的△G增加到正值（△G＞0）,对应当前AD反应器不可逆的酸化现象,指示VFA降解的△G具有用于判别过程稳定性的能力。（2）基于批次实验的结果,半连续式实验进一步通过逐步提升有机负荷率（Organic Loading Rate,OLR）并缩短水力停留时间（Hydraulic Retention Time,HRT）的方式对狼尾草AD系统引入扰动以诱导过程失稳。理化分析表明,在长达400天的实验过程中,虽然观察到产气性能多次的出现下降,但随着消化过程的持续运行,多次实现了自我恢复,最终AD系统可耐受的OLR逐步升高、HRT逐步缩短,可稳定运行的满载运行条件为OLR=18 g VS m-3 d-1,HRT=4 d。但若以理化指标作为过程稳定性的诊断判据,无论是以突变幅度还是阈值作为预警方式,各类基于状态参数的预警指标都在远低于满载负荷的条件下就多次预警,基于此的过程管理会使得AD反应器无法达到最佳运行效率,进而处于次优级模式下运行;微生物诊断表明,生态学参数在失稳诱导的过程中会出现回弹现象,指示厌氧微生物具有自适应环境扰动的能力,这与AD反应器的性能在持续运行的过程中出现恶化又自我恢复的现象是一致的。但因取样及预处理等外部因素,微生态指标诊断过程稳定性存在商业化应用的局限;热力学层面的分析表明,丙酸和戊酸降解的△G在AD系统反复出现可逆酸化的情况下并未指示系统异常,仅在胁迫程度逐渐显著的情况下随之增加,最终于OLR=20 g VS m-3 d-1,HRT=4 d的极端运行条件下突变,可比产气性能的恶化提前2～3天。可见,以VFA降解的△G作为过程稳定性诊断指标,可规避AD反应器因可逆酸化所引起的过度预警现象,且依然保有提前预警、响应灵敏等预警功能,因此VFA降解的△G具有作为识别过程稳定性并预警失稳的理想状态指标的潜能。（3）宏基因与宏蛋白整合的多组学测序技术表明,半连续式失稳模拟实验运行过程中所积累的戊酸和丁酸通过Syntrophomonas主导的β氧化途径降解,丙酸则通过Pelotomaculum,Desulfotomaculum和Syntrophobacter主导的甲基丙二酰辅酶A（Methyl-Malonyl-Co A,MMC）途径降解。在扰动所引起的反复的可逆酸化过程中,虽然观察到了上述主导属的活性成员的相对丰度略微的降低,但随着消化过程的持续进行,主导的Syntrophomonas和Pelotomaculum分别通过由乙酰辅酶A转酰[基]酶（acetyl-Co A acyltransferase,Acca）以及乙酸激酶（acetate kinase,ack A）和磷酸转乙酰酶（phosphate acetyltransferase,Pta）介导的代谢路径恢复了上述短链脂肪酸的代谢性能。互营乙酸氧化菌（Syntrophic Acetate Oxidation Bacteria,SAOB）、混合营养型的Methanosarcina以及氢型的Methanoculleus和Methanobacterium共同负责乙酸的降解,且SAOB和产甲烷菌的相对丰度却并未在可逆酸化过程中观察到显著下降,反而有所增加,因此这些阶段中VFA的反复突变且发出预警信息,并不意味着真正失稳的发生。随着AD系统步入极端的运行条件(OLR=20 g VS m-3 d-1及HRT=4 d),负责降解上述VFA的主导菌的差异表达蛋白（Differentially Expressed Proteins,DEPs）逐渐以下调蛋白为主。基于DEPs的对比分析可确定,狼尾草AD系统中过程失稳的关键在于乙酸和丙酸的降解过程。其中,乙酸和丙酸的代谢功能随着胁迫条件的增加而逐渐的受到抑制,随后上述两者生成与转换之间的调控能力亦随之降低,积累的乙酸和丙酸分别通过反馈抑制作用阻遏丁酸和戊酸的降解。随着AD系统的酸碱平衡被彻底打破,与戊酸和丁酸降解相关的β氧化途径的DEPs同样显著的下调,VFAs整体持续积累致使AD反应器彻底酸化。对比乙酸和丙酸于高胁迫运行条件下稳定与失稳期间DEPs的动态变化,最终可确定靶向调控的关键点为MMC途径中的甲基丙二酰辅酶A表异构酶（Methylmalonyl-Co A epimerase,Mce）,甲基丙二酰Co A变位酶（Methylmalonyl-Co A mutase,Mcm）和琥珀酰Co A合成酶（Succinyl-Co A synthetase,Scs）活性以及乙酸甲烷化过程中的ack A,Pta和甲基辅酶M还原酶（methyl-coenzyme M reductase,mcr）活性。本研究在传统理化分析的基础上,创新性的将微生物解析以及热力学计算耦合,从宏观生化反应热力学的角度修正了以AD系统为边界的VFA降解的△G的计算方法;探究了AD反应器过程失稳的热力学特征;讨论了关键VFA降解的△G作为识别过程稳定并预警失稳的理想指标的潜能所在;从活性微生物和功能蛋白层面入手明确了控制AD系统运行性能的核心调控因子。上述研究结果可为实现AD反应器的在线过程监测与诊断提供借鉴,同时也为靶向调控措施的研发提供了理论依据,对保障商业化AD反应器的稳定与高效运行具有重要的应用价值与研究意义。