【摘 要】
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沼气工程是较为成熟的生物质能源利用手段之一,对达成“3060双碳”目标具有重要作用。然而,我国沼气工程实际有机负荷低,经济效益差,严重的制约了其发展。高负荷条件下运行能够获得较好的经济效益,但是易发生酸化失稳。因此,亟待探究复杂厌氧发酵体系中互营挥发酸降解产甲烷过程以提升高负荷厌氧发酵的挥发酸降解效率。基于此,本研究在中温（35±1℃）条件下,分别以丙酸、丁酸作为厌氧发酵系统的唯一底物,评估厌氧发
【基金项目】
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国家重点研发计划子课题“生物强化秸秆高浓度混合发酵联产碳基有机肥技术”（2019YFD1100603）； 黑龙江省省院科技合作项目“生物强化秸秆高浓度抗结壳发酵技术”（YS20B01）；
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沼气工程是较为成熟的生物质能源利用手段之一,对达成“3060双碳”目标具有重要作用。然而,我国沼气工程实际有机负荷低,经济效益差,严重的制约了其发展。高负荷条件下运行能够获得较好的经济效益,但是易发生酸化失稳。因此,亟待探究复杂厌氧发酵体系中互营挥发酸降解产甲烷过程以提升高负荷厌氧发酵的挥发酸降解效率。基于此,本研究在中温（35±1℃）条件下,分别以丙酸、丁酸作为厌氧发酵系统的唯一底物,评估厌氧发酵系统的产甲烷性能和挥发酸降解效率,探究丙酸/丁酸产甲烷过程的变化。本研究旨在通过进行丙酸/丁酸产甲烷菌系的富集,探明丙酸、丁酸对长期厌氧发酵过程中微生物群落结构的影响,揭示复杂环境中的厌氧发酵共生菌群、影响因素和重要的代谢途径,为高负荷沼气工程的应用推广提供理论依据。本研究的主要内容与结论如下:（1）中温条件下,在全混合厌氧反应器中通过监测系统产气性能,梯度提高丙酸底物负荷（0.2-2.7 g/（L·d））并改变进料方式进行丙酸产甲烷菌系的富集。结果表明,经过192天的富集,该系统在丙酸负荷为2.4 g/（L·d）时能够稳定运行,池容产气率达到1.00L/（L·d）,甲烷含量稳定在60%-65%范围内。丙酸产甲烷系统中的微生物群落的丰富度和多样性持续降低,微生物群落结构共发生3次周转,分别由于丙酸负荷的提高、系统中挥发酸的累积以及进料方式改变。通过对核心微生物的功能分析可知,系统中存在丙酸转化为胞外聚合物,胞外聚合物被用于直接生成甲烷的代谢途径。通过注释分析可知,经丙酸负荷筛选得到的互营丙酸产甲烷菌系主要由Cryptanaerobacter（25.38%）、Pelotomaculum（16.59%）、Sedimentibacter（7.11%）、DMER64（4.47%）以及产甲烷菌Methanosarcina（87.75%）组成。进料方式改变后筛选得到的互营丙酸产甲烷菌系主要由Syntrophobacter（50.46%）、Synergistaceae（15.98%）、Mesotoga（4.76%）、以及专性乙酸型产甲烷菌Methanosaeta（91.97%）组成。（2）中温条件下,在全混合厌氧反应器中通过监测系统产气性能,梯度提高丁酸底物负荷（0.2-4.4 g/（L·d））进行丁酸产甲烷菌系的富集。结果表明,经过95天的富集,在丁酸负荷为4.4 g/（L·d）时,系统池容产气率稳定在1.65 L/（L·d）,甲烷含量保持在65%-75%之间,系统实现高效稳定运行。随着时间序列推移,细菌群落的丰富度不断降低,但多样性保持稳态。在丁酸负荷为1.6 g/（L·d）时,系统中的细菌群落结构发生周转,周转前后的细菌群落网络结构的总度数从414增加到762,表明周转后的细菌群落更加稳定。产甲烷代谢途径的相对丰度从2.08%增加到3.05%,氢型产甲烷功能单元的相对丰度从1.86%提高到3.15%,说明系统中产甲烷途径被促进,并以氢营养型产甲烷为主要途径。此外,系统中还可能存在正丁酸通过α-裂解转化为丙酸和甲基化合物的降解新途径。通过注释分析可知,互营丁酸产甲烷菌系主要由Syntrophomonas（26.72%）、Sedimentibacter（7.82%）、Synergistaceae（9.08%）、DMER64（6.40%）、Mesotoga（2.91%）以及Methanosarcina（99.09%）构成。
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