中温厌氧消化过程中，混合生物强化菌群对不同氨浓度的响应

《Environmental Research》：Microbial response to varying ammonia conditions in mesophilic anaerobic digestion mediated by mixed bioaugmentation consortia

厌氧消化生物强化技术可有效缓解氨抑制和高有机负荷压力，通过混合菌群协同作用增强甲烷生成稳定性。研究显示，添加功能菌群使氨浓度达8500 mg/L时甲烷产量较对照组提升445%，并揭示了菌群代谢途径的适应性调节机制，包括甲烷古菌代谢重编程、挥发性脂肪酸协同代谢及氢气依赖型甲基化途径增强。该成果为高氨环境下的厌氧消化优化提供了理论支撑。

　　本研究聚焦于厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）系统中高氨氮浓度对甲烷产量的抑制作用，并探讨了通过混合菌群生物强化（bioaugmentation）来提升系统稳定性和效率的机制。食品废弃物因其高有机含量和良好的生物降解性，在城市固体废弃物管理中占据重要地位。然而，其高蛋白含量在降解过程中会释放大量氨氮，对AD过程造成显著抑制，影响系统的正常运行。因此，研究如何在不同氨氮浓度条件下优化AD性能，尤其是通过生物强化手段，具有重要的理论和实践意义。

在厌氧消化过程中，微生物群落的协同作用至关重要。蛋白质降解菌、酸化菌、产氢菌以及产甲烷菌共同构成了一个复杂的生态系统。然而，高浓度氨氮会干扰这一系统中的关键代谢途径，尤其是在甲烷生成阶段。研究表明，甲烷生成菌对氨氮的敏感性高于水解菌和酸化菌，当氨氮浓度超过一定阈值时，会显著抑制甲烷产量。这一抑制作用主要源于氨氮对关键酶活性的毒害，以及其对微生物代谢的干扰，进而导致系统失衡。

为了解决这一问题，研究团队采用了一种混合菌群生物强化策略，旨在通过引入多种功能微生物，提升AD系统在高氨氮条件下的稳定性和效率。实验设置中，研究人员在不同氨氮浓度（3700–8500 mg·L?1）下运行了多个反应器，并对比了生物强化与未强化系统的性能差异。结果显示，生物强化系统的甲烷产量在高氨氮浓度下显著高于对照组，特别是在4500–8500 mg·L?1的氨氮浓度区间内，生物强化系统的甲烷产量可达对照组的1.46–4.45倍。这表明，混合菌群的引入能够在一定程度上缓解氨氮对AD系统的抑制作用。

在具体机制方面，研究发现，低至中等浓度的氨氮抑制（如4500和6000 mg·L?1）可以通过增强乙酸型产甲烷菌（acetoclastic methanogens）的代谢活动来缓解。同时，混合菌群中的兼性产甲烷菌（facultative methanogens）如*Methanosarcina*在中等浓度氨氮条件下表现出更高的适应能力，能够维持系统的稳定性。相比之下，高浓度氨氮（如8000 mg·L?1）对系统的影响更为复杂，此时需要通过促进挥发性脂肪酸（VFA）氧化菌与产甲烷菌之间的协同作用，来维持VFA代谢的连续性。研究进一步指出，在高氨氮条件下，系统内部的代谢路径发生了战略性调整，例如，氢依赖型甲烷生成菌（hydrogenotrophic methanogens）与产氢菌之间的协同关系变得更加紧密，以确保VFA的有效代谢。

此外，研究还揭示了混合菌群在应对氨氮冲击（ammonia shock loading）时展现出的更强适应能力。在8500 mg·L?1的高氨氮浓度下，对照组反应器表现出明显的VFA代谢受阻和甲烷生成能力下降，而生物强化系统则能够维持相对稳定的甲烷产量，并有效抑制VFA的积累。这一现象表明，混合菌群的引入不仅提升了系统的抗冲击能力，还增强了其在复杂环境下的代谢恢复能力。在这一过程中，系统内部的微生物群落结构发生了动态调整，不同功能微生物之间的相互作用被重新优化，从而形成了一种更具韧性的生态网络。

值得注意的是，混合菌群的生物强化效果并非在所有条件下都能达到最佳。例如，当菌群成员之间的生长速率不匹配时，可能会导致系统增强效果的减弱。因此，研究强调了在设计生物强化策略时，必须充分考虑菌群成员的生态适应性和代谢特性，以确保其在AD系统中的长期稳定性和有效性。同时，研究还发现，某些功能关键但生态适应性较差的菌株在长期运行中可能会逐渐衰退，这进一步说明了在生物强化过程中，菌群的动态平衡至关重要。

在高氨氮和酸性共同抑制的条件下，研究团队观察到，混合菌群中的氢依赖型甲烷生成菌（如*Ca. Methanomethylophilus*和*Ca. Methanofastidiosum*）在维持系统稳定性方面发挥了重要作用。这些菌株能够有效消耗系统中产生的氢气，从而降低氢气分压，为VFA的代谢提供更有利的热力学条件。同时，增强的*Methanosarcina*菌株在高氨氮条件下表现出更高的甲烷生成能力，尤其是在甲烷生成过程中，其对甲烷生成途径的贡献超过了氢依赖型和乙酸型产甲烷途径。这表明，*Methanosarcina*在高氨氮环境下具有更强的适应性和代谢优势，能够有效缓解氨氮对AD系统的抑制作用。

本研究的另一重要发现是，混合菌群的生物强化不仅提升了系统的抗氨氮能力，还显著改善了系统在不同氨氮浓度下的代谢恢复能力。通过系统性分析，研究人员揭示了在不同氨氮浓度梯度下，生物强化系统的代谢机制和功能基因表达模式的变化。这些变化不仅有助于理解混合菌群在AD系统中的作用机制，还为未来优化生物强化策略提供了理论依据。

综上所述，本研究通过实验和数据分析，系统探讨了混合菌群生物强化在高氨氮条件下的作用机制，揭示了其在提升AD系统稳定性和效率方面的潜力。研究结果表明，混合菌群的引入能够有效缓解氨氮对AD过程的抑制作用，特别是在高氨氮浓度和酸性共同抑制的复杂环境下。此外，研究还强调了在设计生物强化策略时，需要综合考虑菌群成员的代谢特性、生态适应性以及系统内的相互作用，以实现更高效的AD过程优化。这些发现不仅丰富了对厌氧消化系统微生物调控机制的理解，也为实际工程应用中应对高氨氮环境提供了新的思路和技术支持。