基于r/K选择理论的厌氧消化模型重构：揭示乙酸裂解产甲烷菌的竞争动力学

《Journal of Water Process Engineering》：Revisiting acetoclastic methanogens in anaerobic digestion via r/K selection-informed mathematical modeling

本研究通过将r/K选择理论与热力学分析相结合，建立了能够模拟两种乙酸裂解产甲烷菌（Methanosarcina和Methanothrix）竞争动态的厌氧消化数学模型（ADMM）。该模型通过代谢途径表征系统估算动力学参数，发现生物量产率（Y）和乙酸浓度主要影响r策略型Methanosarcina，而固体停留时间（SRT）是调控K策略型Methanothrix的关键因素。连续流反应器（CFR）更利于Methanothrix的稳定生长，该研究为厌氧微生物生态调控提供了新视角。

　　

章节精选

热力学计算

通过简化的吉布斯-亥姆霍兹方程可计算非标准温度下的校正吉布斯能：

${G_f}^0\left(T\right)={G_f}^0\left(\mathrm{Ts}\right)\times \frac{T}{\mathrm{Ts}}+{H_f}^0\left(\mathrm{Ts}\right)\times \frac{\mathrm{Ts}-T}{\mathrm{Ts}}$

其中${G_f}^0\left(T\right)$和${G_f}^0\left(\mathrm{Ts}\right)$分别代表实际温度(T)和标准温度(Ts=298.15K)下的吉布斯能，${H_f}^0\left(\mathrm{Ts}\right)$为Ts时的焓值。计算设定液体浓度1mol/L、气体分压1atm、pH=7、温度308.15K。

文献调研：Methanosarcina与Methanothrix的动力学和化学计量参数

图1展示了两种产甲烷菌关键参数的对比（详见补充材料2），呈现出典型的r/K策略分化特征。Methanosarcina展现出更高的生物量产率（0.055 g COD生物量/g COD乙酸）和最大比生长速率（μ_max=0.60 d^-1），近乎Methanothrix（0.032 g COD生物量/g COD乙酸；μ_max=0.22 d^-1）的三倍。这种差异完美诠释了r策略者（快速生长）与K策略者（高底物亲和性）的生态位分化。

结论

热力学能量耗散方法结合代谢能量分析，为区分两种产甲烷菌的动力学特征提供了创新框架。厌氧消化功能微生物的动力学多样性特征，凸显了将r/K选择理论融入ADMM模型的重要性。通过调控操作参数（如运行模式、SRT和底物浓度），可实现r/K策略者的精准定向调控。