甲烷古菌高效转化CO2与工业烟道气的生物捕获及产甲烷优化研究

本研究针对工业CO2排放难题，通过优化环境与营养条件，系统评估了Methanosarcina mazei G?1（中温型）和Methanothermobacter thermautotrophicus ΔH（嗜热型）的产甲烷性能。结果表明，两菌株在温度、pH、压力及氮/硫源调控下可实现CO2和烟道气高效转化，最高产量达18.64±0.75 μmol·L?1，为生物碳捕获和可再生能源生产提供了新策略。

　　

论文解读

全球CO₂排放量在2023年达到374亿吨的历史峰值，工业烟道气作为主要排放源，亟需经济高效的碳捕获技术。传统化学方法存在成本高、毒性大等缺陷，而生物转化因其环境友好性备受关注。甲烷古菌（Methanogens）能够通过氢营养型（Hydrogenotrophic）和羧营养型（Carboxydotrophic）途径将CO₂/CO转化为甲烷（CH₄），但工业烟道气中复杂组分（如CO）和极端环境条件限制了其应用效率。为此，印度科学与工业研究委员会等机构的研究人员Dhayanithi Sethuraman和Chellapandi Paulchamy在《Bioresource Technology Reports》发表研究，系统评估了两种典型甲烷古菌——中温型Methanosarcina mazei G?1和嗜热型Methanothermobacter thermautotrophicus ΔH的环境适应性及产甲烷优化策略。

关键技术方法
研究采用日本微生物保藏中心（JCM）的标准菌株，通过控制温度（35–60°C）、pH（5–7）、压力（50–200 kPa）及氮/硫源（有机/无机）等变量，结合气相色谱定量甲烷产量。重点分析了烟道气（含CO₂/CO）与纯CO₂的转化差异，并优化了接种密度（5–15%）。

研究结果

1. 环境参数影响

• 温度：M. thermautotrophicus在60°C时CO₂转化效率最高（18.64±0.75 μmol·L^?1），而M. mazei在35°C（CO₂）和40°C（烟道气）表现最佳，但嗜热条件下产量降低。
• pH：嗜热菌偏好酸性（pH 5，产量18.48±0.75 μmol·L^?1），中温菌需中性pH。
• 压力：200 kPa高压使M. thermautotrophicus烟道气转化率提升至13.84±0.55 μmol·L^?1。

2. 营养调控

• 氮源：有机氮（蛋白胨/豆粕）显著提升产量，M. thermautotrophicus达18.64 μmol·L^?1；无机氮中NaNO₂对烟道气转化最有效（11.70±0.47 μmol·L^?1）。
• 硫/磷源：Na₂HPO₄和FeSO₄分别使嗜热菌产量达3.35±0.13和7.98±0.32 μmol·L^?1。

3. 接种密度
嗜热菌最佳接种量为5–10%，中温菌需15%。

结论与意义
该研究首次整合中温与嗜热甲烷古菌，针对工业烟道气特性优化转化条件，揭示了温度-底物适应性差异（如M. mazei对CO的利用能力）及高压对产甲烷的促进作用。通过有机氮源和硫/磷补充策略，两菌株在模拟工业环境中展现出稳定高效的CH₄产量，为生物碳捕获技术（BECCS）和沼气工程提供了可扩展的微生物解决方案。其意义在于：（1）降低传统碳捕集技术的能耗与毒性风险；（2）为高温工业废气（如钢铁厂）的现场处理提供菌种资源；（3）推动“碳中和”目标下的生物能源-碳循环耦合系统发展。