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在厌氧消化系统中，乙酸营养型产甲烷菌对沼气生产意义重大，但对其富集条件及机制了解有限。研究人员围绕不同操作模式和固体停留时间（SRT）展开研究，发现 SBRs 产 CH4速率更高，且能共富集两种产甲烷菌。该研究为优化厌氧消化系统提供依据。
在当今追求可持续能源的时代，厌氧消化技术凭借将有机物质转化为清洁能源的独特魅力，成为了科研领域的热门话题。其中，乙酸营养型产甲烷菌作为厌氧消化过程中甲烷产生的关键角色，一直备受关注。据了解，在厌氧生物反应器里，乙酸营养型产甲烷途径是甲烷生成的主要方式，能占到总甲烷生成量的 60% 以上。不过，目前人们对于在厌氧消化体系中，究竟哪些特定条件能够促进乙酸营养型产甲烷菌中 Methanosarcina 和 Methanothrix 这两个主要属的富集，以及背后的作用机制，还知之甚少。而且，现有研究对这两种产甲烷菌与其他微生物之间在氨基酸等营养物质方面的交叉喂养关系，也缺乏深入探索。这些知识空白，就像一道道屏障，阻碍着厌氧消化技术在能源生产方面发挥更大的潜力。为了突破这些瓶颈，来自国外的研究人员开展了一项极具价值的研究。最终，研究成果发表在了《Biochemical Engineering Journal》上。
这项研究成果意义非凡。它清晰地揭示了不同饲喂方式和固体停留时间（SRT）对乙酸营养型产甲烷菌富集的影响，为优化厌氧消化系统提供了关键的理论依据，有助于提高沼气产量，推动厌氧消化技术在可再生能源领域的广泛应用。
研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，设置了不同操作模式（序批式反应器 SBRs 和连续流反应器 CFRs）和固体停留时间（15 天和 50 天）的厌氧反应器进行长期实验培养微生物；其次，进行批实验，测定甲烷产量、残余乙酸浓度等指标评估微生物活性；再者，运用宏基因组分析技术，对微生物群落结构、功能基因等进行深入研究；最后，通过统计分析，包括 Wilcoxon 秩和检验和 Spearman 相关性分析等，来处理和解读实验数据。
3.1 反应器性能和微生物动力学
3.1.1 长期系统性能
研究人员对四个厌氧反应器进行了 90 天的长期实验。结果显示，所有反应器的 COD 去除率均超 95%，表明微生物群落对乙酸的降解能力很强。SBRs 在第 5 天就快速达到稳定的 COD 去除效率，而 CFRs 则在第 9 天左右才稳定。所有反应器出水的 pH 值维持在 8.0 - 8.3 ，污泥挥发性悬浮固体（VSS）浓度在第 65 天趋于稳定。15 天 SRT 的反应器 VSS 浓度低于 50 天 SRT 的反应器，但仍能高效去除 COD。此外，15 天 SRT 的反应器生物质产量更高，这意味着较低的 SRT 更有利于富集具有高生物质产量的微生物种群。
3.1.2 批实验中的微生物活性
在典型反应周期的批实验中，SBRs 的 CH4最大产生速率显著高于 CFRs，这得益于 SBRs 的间歇式进料和较高的初始底物浓度，能够促进微生物的活性。当使用 2 - 溴乙烷磺酸盐（BES）抑制产甲烷作用后，各反应器中基于生物质的乙酸降解速率大幅下降，表明在正常情况下，乙酸主要被产甲烷菌消耗。同时，四个反应器中氢营养型产甲烷活性都较低，这也间接证实了乙酸利用细菌的活性较低。
3.2 微生物群落结构
3.2.1 微生物群落组成
在门水平上，所有反应器中广古菌门（Euryarchaeota）占主导。在细菌属水平上，不同细菌在 SBRs 和 CFRs 中的相对丰度有所差异，比如 Acinetobacter 在 CFRs 中相对丰度更高，而 Desulfococcus、Thauera 在 SBRs 中相对丰度更高。在古菌属水平上，Methanosarcina 在 SBRs 中的相对丰度更高，符合 r - 策略者的特征；Methanothrix 在所有反应器中都是主要的乙酸营养型产甲烷菌，且在 CFRs 中的优势更明显，体现了 K - 策略者的特性。SBRs 倾向于共同富集 r - 和 K - 策略者产甲烷菌，而 CFRs 中较低的乙酸浓度更有利于 K - 策略者 Methanothrix 的生长。
3.2.2 通过共现分析的微生物网络
研究人员构建了属水平上前 20 种微生物的共现网络。结果发现，Desulfomonile、Thauera、Pseudomonas 和 Geobacter 等属的连接度最高，在共生关系中可能起着重要作用。Methanothrix 与其他属有 10 个连接，其中 3 个正相关，7 个负相关；Methanosarcina 与 Thauera、Pseudomonas 呈正相关，与 Methanothrix 呈负相关。此外，一些细菌属之间存在正相关或负相关关系，这可能是由于资源竞争、微生物拮抗或生态位分化等原因造成的。
3.3 宏基因组分析
3.3.1 产甲烷途径
宏基因组分析揭示了产甲烷的相关途径。在将乙酸转化为乙酰辅酶 A 的过程中，Methanosarcina 主要通过 Ack 和 Pta 介导，而 Methanothrix 则通过 Acs 介导。相关酶基因的相对丰度与产甲烷菌的分布模式一致。此外，还检测到与 CO2还原途径和甲基营养型途径相关的酶和基因，表明 Methanosarcina 和 Methanothrix 具有潜在的 CO2还原能力，且 Methanosarcina 可能通过甲基营养型途径对甲烷产生有贡献。
3.3.2 乙酸代谢途径
乙酸降解存在反向伍德 - 吕恩达尔途径（WLP）和 WLP 与甘氨酸裂解系统结合的新途径（WLP - GCS）。研究发现，不同细菌具有不同的乙酸代谢相关基因，且在不同 SRT 下，细菌激活乙酸的策略不同。例如，在 50 天 SRT 的反应器中，与某些乙酸代谢相关基因的相对丰度更高。同时，研究还发现细菌群落的乙酸代谢具有高度冗余性。
3.4 基于潜在氨基酸交叉喂养的微生物相互作用
通过宏基因组分析评估微生物氨基酸生物合成的代谢能力，发现部分微生物缺乏合成某些氨基酸的能力。例如，Methanothrix 不能合成 Pro，Desulfococcus 不能合成 Thr 和 Met 等。这表明微生物之间可能存在氨基酸的交叉喂养关系，优势细菌和产甲烷菌在合成某些必需氨基酸的能力上具有互补性，这种营养交叉喂养对微生物群落的形成和稳定具有重要意义。
3.5 富集乙酸营养型产甲烷菌策略的意义
研究表明，SBRs 有利于 r - 和 K - 策略者产甲烷菌的共存，在处理波动环境条件的废水时具有优势，能增强厌氧消化系统的稳定性。不同的反应器配置和饲喂方式对 Methanosarcina 和 Methanothrix 的生长有不同影响，在实际应用中，应根据废水特性选择合适的策略。此外，关注产甲烷菌与其他细菌群落之间的交叉喂养关系，通过引入特定微生物或添加特定氨基酸，有望优化微生物种群，提高甲烷产量。
在结论与讨论部分，研究再次强调了 Methanothrix 在 CFRs 中占优势，是因为系统内的低乙酸浓度；而 SBRs 则具有同时富集 Methanosarcina 和 Methanothrix 的潜力。这一发现突出了底物动态变化在塑造产甲烷菌群落方面的关键作用，为理解它们的生态适应性提供了新的视角。同时，微生物之间潜在的氨基酸交叉喂养关系也被揭示出来，这为优化厌氧消化系统提供了新的思路。总的来说，该研究成功运用 r/K 选择理论，通过改变饲喂方式实现了对不同乙酸营养型产甲烷菌的富集，为提升厌氧消化系统的能源生产效率提供了理论支持和实践指导，对推动厌氧消化技术在可再生能源领域的发展具有重要价值。
