复苏促进因子与丙酮酸通过强化微生物群落互营作用促进产甲烷条件下丙酸降解的机制研究

针对厌氧消化中丙酸降解速率低的关键瓶颈，研究人员探究了复苏促进因子(RPFs)和丙酮酸等刺激剂对产甲烷菌群的调控作用。结果表明RPFs和丙酮酸可将丙酸降解滞后阶段缩短7.2-13.1天，最大甲烷产率提升1.29-1.32倍，并通过富集互营丙酸氧化菌Syntrophobacter和氢营养型产甲烷菌Methanocalculus强化代谢通路，为生物能源生产提供了新策略。

　　

在追求碳中和的全球背景下，沼气作为清洁能源备受关注。然而，厌氧消化(Anaerobic Digestion, AD)过程中产生的丙酸等挥发性脂肪酸(VFAs)积累，常常成为限制甲烷产量的"绊脚石"。特别是互营丙酸氧化这一生化过程，因其需要产酸菌与产甲烷菌的精密协作，成为整个代谢链条中最脆弱的环节。传统解决方案往往面临效率低下或成本高昂的困境，这促使科学家们开始探索微生物群落调控的新途径。

华东理工大学的研究团队将目光投向了两种特殊的刺激剂——复苏促进因子(Resuscitation-Promoting Factors, RPFs)和丙酮酸。RPFs是细菌分泌的小分子蛋白，能够唤醒休眠状态的微生物；而丙酮酸作为三羧酸循环的关键中间体，直接参与能量代谢。研究人员假设，这两种物质可能通过"唤醒"功能微生物和强化种间协作，打破丙酸降解的僵局。

研究团队选择新疆克拉玛依油田区块6的采出水作为接种源，这个中低温环境蕴藏着丰富的互营丙酸氧化菌（如Syntrophobacterales目）和产甲烷菌（如Methanomicrobiales目）。通过三批次富集培养实验，结合修正的Gompertz模型动力学分析，发现RPFs和丙酮酸处理组的甲烷产率显著提升，滞后阶段从对照组的68.4天缩短至7.2-13.1天。

宏基因组分析揭示了背后的微生物机制：RPFs和丙酮酸特异性地富集了互营丙酸氧化菌Syntrophobacter和氢营养型产甲烷菌Methanocalculus。这两个关键菌群通过种间氢传递形成紧密的代谢联盟。有趣的是，研究还发现了Mesotoga、Thermovirga和Lentimicrobium等菌属可能通过共代谢途径参与乙酸代谢。而寄生性微生物Parcubacteria的基因分析则暗示了乙酸氧化途径的强化。

这项发表在《Renewable Energy》的研究创新性地将微生物复苏机制引入厌氧消化领域。RPFs不仅缩短了启动周期，更重要的是重构了微生物群落的互作网络。丙酮酸则通过提供代谢前体物质，为能量匮乏的初始阶段"雪中送炭"。二者的协同作用使丙酸生物降解率提升39.96-51.31%，为解决沼气工程的瓶颈问题提供了微生物生态学层面的解决方案。

关键技术方法包括：采用新疆克拉玛依油田采出水作为接种源；三阶段分批培养系统；修正Gompertz模型动力学分析；16S rRNA扩增子测序；PICRUSt2群落功能预测；宏基因组测序分析。

【Stimulants on the enrichment of anaerobic propionate-oxidation cultures】
通过甲烷产量动力学分析发现，RPFs和丙酮酸处理组最大甲烷产率达0.039-0.040 mmol CH₄/天，较对照组提升1.29-1.32倍，滞后阶段显著缩短。

【DISCUSSION】
微生物群落分析表明，RPFs可能通过激活休眠的Syntrophobacter恢复其丙酸氧化能力；丙酮酸则作为电子载体促进种间电子传递。宏基因组数据证实处理组中乙酸激酶(ackA)和磷酸转乙酰酶(pta)基因丰度增加，说明乙酸代谢途径得到强化。

【Conclusion】
研究证实RPFs和丙酮酸能有效缓解丙酸积累，其机制包括：(1)复苏功能微生物；(2)强化Syntrophobacter与Methanocalculus的互营关系；(3)激活乙酸氧化途径。该发现为优化工业级沼气工程提供了理论依据和技术储备。

这项研究的突破性在于首次将微生物复苏概念引入复杂厌氧系统，揭示了环境刺激剂调控群落功能的普适性规律。不仅为生物能源生产提供了新思路，也为理解微生物互营作用的进化机制打开了新窗口。未来研究可进一步探索RPFs在其它限速步骤中的应用潜力，以及开发基于代谢刺激剂的群落精准调控技术。