餐厨垃圾厌氧消化微生物群落动态与代谢通路解析

《Microbiology Spectrum》：Metagenomic study of food waste anaerobic digestion

本文通过宏基因组学方法系统揭示了餐厨垃圾厌氧消化（AD）过程中微生物群落演替规律及其代谢功能变化。研究发现发酵细菌（如乳酸杆菌）在早期主导有机物降解，后期甲烷微菌科古菌成为产甲烷关键菌群；通路分析显示发酵、芳香化合物降解和产甲烷作用（METH-ACETATE-PWY）是核心代谢途径。研究为优化沼气工程微生物调控策略提供了理论依据，对推动废弃物资源化利用具有重要意义。

　　

ABSTRACT

本研究通过宏基因组学方法探究餐厨垃圾厌氧消化过程中微生物群落动态与代谢通路变化。实验在4周内每周采样，利用QIIME2和BV-BRC进行微生物谱分析，并通过PICRUSt2工具识别优势代谢通路。结果显示微生物群落存在时序性演替：消化早期以发酵细菌（如乳酸杆菌_{Lactobacillus}和梭菌_Clostridia）为主，后期则转为甲烷古菌（如甲烷微菌_{Methanomicrobia）占优势。通路分析表明发酵、芳香化合物降解和产甲烷作用是主要代谢过程，其中产甲烷通路在第三周（FW3_S162_R1）后显著增强。本研究强调了微生物群落适应性对提升甲烷产量的关键作用，为优化餐厨垃圾厌氧消化效率提供了新见解。通过整合宏基因组与代谢组学方法，该研究全面揭示了影响厌氧消化过程的微生物与代谢因素，有助于可持续废弃物管理技术的发展。}

INTRODUCTION

全球餐厨垃圾产量持续增长，其环境与经济影响亟待解决。厌氧消化（AD）技术可将有机废弃物转化为沼气，同时实现减量化，但消化效率高度依赖复杂微生物群落（包括细菌、古菌和真菌）的代谢活性。微生物群落结构及互作关系受底物组成和反应器运行条件调控。近年来，宏基因组测序技术能高分辨率解析微生物分类与功能特征，助力识别关键菌群及代谢途径。研究表明，厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）在餐厨垃圾消化器中主导水解和酸酸化阶段，而古菌（如甲烷杆菌属_{Methanobacterium}）负责最终产甲烷过程。挥发性脂肪酸（VFA）作为中间代谢产物，显著影响甲烷产量。优化微生物群落结构可提升沼气产率，并促进消化液（digestate）作为肥料资源化利用，推动循环经济发展。

MATERIALS AND METHODS

餐厨垃圾采集自尼日利亚鲍文大学食堂，包含米饭、肉类等成分。实验采用计算机控制的批次厌氧反应器（EDIBON），以家禽粪便为接种物，在43°C、pH 7条件下进行28天消化。每周采集消化液样本，通过ZymoBIOMICS DNA试剂盒提取基因组DNA，扩增16S rRNA基因V3/V4区并利用Illumina NextSeq2000平台测序。序列经QIIME2和dada2质控后，使用Silva数据库和VSEARCH进行OTU聚类，并通过BV-BRC和Nephele平台进行功能注释与通路预测。

RESULTS AND DISCUSSION

沼气产量随消化时间逐步上升，第28天累计产气量达0.93 L，甲烷占比53.46%，其余成分为CO₂（25.78%）、NH₃（2.17%）和H₂S（1.04%）。微生物α多样性分析（Shannon和Chao1指数）显示，第1-2周群落多样性最高，第3-4周因 specialization 而下降。主坐标分析（PCoA）表明第1周群落结构显著区别于后期，第2-4周群落趋于稳定。物种组成上，厚壁菌门（主要为芽孢杆菌纲）在FW1样本中占主导，后期变形菌门（如γ-变形菌纲）丰度上升。甲烷古菌（如甲烷杆菌属和甲烷八叠球菌属_{Methanosarcina}）在FW3和FW4样本中富集，负责氢营养型和乙酸型产甲烷过程。代谢通路分析显示，发酵通路（FERMENTATION-PWY）、3-羟基苯乙酸降解通路（3-HYDROXYPHENYLACETATE-DEGRADATION-PWY）和乙酸产甲烷通路（METH-ACETATE-PWY）为最优势途径，其中芳香化合物降解能力凸显微生物对复杂底物的代谢适应性。

CONCLUSION

本研究通过整合宏基因组与代谢组学数据，系统阐明了餐厨垃圾厌氧消化中微生物群落演替与代谢功能耦合机制。发酵细菌与甲烷古菌的时序性更替、关键代谢通路（如芳香物降解）的识别，为优化沼气工程菌群调控策略提供了理论支撑，对实现餐厨垃圾高效能源化转化具有重要实践意义。