近日，中国科学院上海高等研究员史吉平研究员、刘莉研究员团队在微生物协同强化餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷方面取得进展，研究成果以“Synergistic bioaugmentation with Clostridium thermopalmarium and Caldibacillus thermoamylovorans improved methane production from thermophilic anaerobic digestion of food waste”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上(https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148372)。该研究探究了热棕榈梭菌Clostridium thermopalmarium与热淀粉芽孢杆菌Caldibacillus thermoamylovorans协同生物强化餐厨垃圾高温厌氧发酵产甲烷的性能，证实了多菌株协同生物强化比单菌株生物强化具有更显著的产甲烷效果，并通过微生物群落结构和宏基因组学分析深入解析了多菌株协同生物强化厌氧发酵机制，揭示了多菌株协同生物强化可有效提高微生物群落的均匀度和多样性，富集微生物菌群中的碳水化合物降解菌和蛋白质降解菌，提高大分子有机物水解、三羧酸循环以及氢营养型产甲烷途径关键酶的基因丰度。本研究为餐厨垃圾处理提供了一种可以有效提高甲烷产量的协同生物强化策略。

图1. 多菌株协同生物强化提高厌氧发酵产甲烷性能示意图

高温厌氧发酵可以将餐厨垃圾中的大分子有机物通过微生物的生长代谢转化为甲烷，同时有效杀灭致病菌和虫卵，是实现餐厨垃圾资源化、无害化、减量化的常用处理技术之一。但高温厌氧发酵系统仍存在功能微生物种类少、浓度低、活性差的问题，形成产气率低、稳定性差的技术瓶颈。

针对上述问题，该团队提出了一种热棕榈梭菌与热淀粉芽孢杆菌协同生物强化厌氧发酵产甲烷的策略，旨在通过增加餐厨垃圾高温厌氧发酵系统中功能微生物的数量，调节微生物群落结构，提高厌氧发酵系统稳定性，从而根本上改善高温厌氧发酵系统的性能。同时将两种功能微生物的优势结合起来，突破单一菌种功能的局限性。研究结果表明，协同生物强化组相比于对照组提高了24.77% 1.98%，强化效果显著优于单一强化组。微生物群落结构组成分析显示协同生物强化增加了碳水化合物降解菌Lentimicrobium和Caldicoprobacter，以及蛋白质降解菌Fastidiosipila和Keratinibaculum的相对丰度。此外，与有机物水解，特别是碳水化合物、蛋白质水解，以及三羧酸循环和氢营养型产甲烷途径相关的关键基因丰度在协同生物强化组中得到了显著提高。该研究利用不同功能微生物协同强化厌氧发酵产甲烷的策略为有机固废处理和生物能源生产提供了技术支持。

图2. 多菌株协同生物强化对关键代谢途径的功能基因的影响

论文的第一作者为上海高等研究院博士研究生肖梦瑶，通讯作者为刘莉研究员。该研究工作得到了国家重点研发计划“固废资源化”专项“城镇易腐有机固废生物转化与二次污染控制技术”的资助。