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    上海高研院在微生物強化餐廚垃圾產甲烷方面取得進展

    文章來源:上海高等研究院  |  發布時間:2024-01-03  |  【打印】 【關閉

      

      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同強化餐廚垃圾厭氧發酵產甲烷方面取得進展,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協同生物強化餐廚垃圾高溫厭氧發酵產甲烷的性能,證實了多菌株協同生物強化比單菌株生物強化具有更顯著的產甲烷效果,并通過微生物群落結構和宏基因組學分析深入解析了多菌株協同生物強化厭氧發酵機制,揭示了多菌株協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降解菌,提高大分子有機物水解、三羧酸循環以及氫營養型產甲烷途徑關鍵酶的基因豐度。本研究為餐廚垃圾處理提供了一種可以有效提高甲烷產量的協同生物強化策略。

     

    1. 多菌株協同生物強化提高厭氧發酵產甲烷性能示意圖

      高溫厭氧發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化為甲烷,同時有效殺滅致病菌和蟲卵,是實現餐廚垃圾資源化、無害化、減量化的常用處理技術之一。但高溫厭氧發酵系統仍存在功能微生物種類少、濃度低、活性差的問題,形成產氣率低、穩定性差的技術瓶頸。

      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同生物強化厭氧發酵產甲烷的策略,旨在通過增加餐廚垃圾高溫厭氧發酵系統中功能微生物的數量,調節微生物群落結構,提高厭氧發酵系統穩定性,從而根本上改善高溫厭氧發酵系統的性能。同時將兩種功能微生物的優勢結合起來,突破單一菌種功能的局限性。研究結果表明,協同生物強化組相比于對照組提高了24.77% ± 1.98%,強化效果顯著優于單一強化組。微生物群落結構組成分析顯示協同生物強化增加了碳水化合物降解菌LentimicrobiumCaldicoprobacter,以及蛋白質降解菌FastidiosipilaKeratinibaculum的相對豐度。此外,與有機物水解,特別是碳水化合物、蛋白質水解,以及三羧酸循環和氫營養型產甲烷途徑相關的關鍵基因豐度在協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同強化厭氧發酵產甲烷的策略為有機固廢處理和生物能源生產提供了技術支持。

     

    2. 多菌株協同生物強化對關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計劃“固廢資源化”專項“城鎮易腐有機固廢生物轉化與二次污染控制技術”的資助。

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