瘤胃微生物预培养时间与接种量对小麦秸秆厌氧消化产甲烷性能及菌群结构的协同调控机制

针对小麦秸秆(WS)厌氧消化(AD)中木质纤维素难降解问题，研究人员系统探究了瘤胃微生物(RMs)预培养时间(0-144 h)与接种量(25%-60%)的协同效应。最优条件(120 h预培养+50%接种量)使甲烷产量提升32.8倍达19.7 mL/g VS，显著增强纤维素/半纤维素降解并富集优势菌群(Methanobrevibacter占17%)，为农业废弃物资源化提供了微生物调控策略。

　　

每年全球产生的小麦秸秆(WS)堆积如山，传统焚烧处理不仅造成空气污染，更浪费了这种富含木质纤维素的"绿色金矿"。尽管厌氧消化(AD)技术能将WS转化为清洁能源甲烷，但木质素形成的致密三维结构如同给纤维素裹上了"盔甲"，使得常规AD系统的甲烷产量始终难以突破。有趣的是，反刍动物的瘤胃就像天然的生物反应器，其中的瘤胃微生物(RMs)能高效分解植物纤维。但将这些"微型粉碎机"从牛胃移植到实验室反应器时，它们会因环境剧变而"水土不服"——这正是西北农林科技大学的研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究要解决的核心问题。

研究人员采用多因素实验设计，通过监测甲烷产量、挥发性固体(VS)降解率和微生物群落演替等指标，系统评估了RMs预培养时间(0-144 h)和接种量(25%-60%)对WS-AD的协同影响。关键技术包括：1)从健康奶牛瘤胃获取RMs样本(经动物伦理委员会批准)；2)采用高通量测序分析菌群结构；3)通过气相色谱监测甲烷产量；4)利用Van Soest法测定木质纤维素组分。

效果评估部分显示：

1. 产气性能：最优组C-120(120 h预培养+50%接种量)甲烷产量达19.7 mL/g VS，是对照组(C-0)的32.8倍。预培养使产气滞后期缩短48 h，且50%接种量形成明显剂量效应阈值。
2. 底物降解：C-120组纤维素/半纤维素降解率分别比C-0提高1.2和1.3倍，木质素降解率提升至42.4%，印证了RMs的"破壁"能力。
3. 微生物互作：优势产甲烷菌Methanobrevibacter(相对丰度17%)通过氢/甲酸途径驱动甲烷生成，而与乙酸代谢正相关的Rikenellaceae_RC9_gut_group(29%)构成降解木质纤维素的"先锋部队"。

结论与展望：该研究揭示了RMs预培养诱导的微生物"驯化"机制——120 h的适应期使菌群重建了类似于瘤胃环境的代谢网络，而50%接种量则提供了最佳"菌力资源"。这种调控策略使WS-AD系统的能量回收效率达到理论值的89%，为农业废弃物的规模化处理提供了可复制的微生物组工程模板。未来研究可进一步优化RMs保存工艺，推动这种"仿生消化"技术从实验室走向田间。