《Journal of Environmental Management》：Microbial adaptation mechanism of the syntrophic propionate-oxidizing methanogenic system from 36 °C to 20 °C
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厌氧消化低温适应性研究：通过逐步降温（37℃→20℃）培养的产甲烷菌群实现212 mL gVS?1的稳定产气，占中温水平的91%，菌群中 Thermovirga（13%）、Cryptanaerobacter（11%）和 Smithella（3%）占比显著提升，代谢途径涵盖MMC途径、硫酸盐还原及歧化途径，同时 Methanothrix 仍保持主导地位（82%）。
Xingyu Cheng|Miao Yan|Changrui Wang|Yongming Sun|Ying Li
中国科学技术大学能源科学与工程学院，广州，510640，中华人民共和国
摘要
在20°C条件下运行厌氧消化（AD）具有显著的经济优势；然而，在低温下丙酸的积累仍然是一个主要瓶颈。因此，开发一种适用于20°C的、能够有效降解丙酸的产甲烷菌群至关重要。在本研究中，通过逐步降低温度（从37°C降至20°C）在连续搅拌反应器（CSTRs）中实现了稳定的甲烷产量，为212 mL gVS?1，这相当于中温条件下的91%。富集的丙酸氧化菌主要包括Thermovirga（13%）、Cryptanaerobacter（11%）和Smithella（3%）。与中性温度下的菌群相比，适应低温的菌群表现出更多样的丙酸氧化途径，包括MMC途径、丙酸依赖的硫酸盐还原途径以及歧化途径。产甲烷菌Methanothrix仍然占主导地位。此外，与温度调节和膜流动性相关的基因上调支持了微生物对温度从36°C降至20°C的适应。总体而言，本研究证明了在20°C下高效将丙酸转化为甲烷的可行性，并为改进低温AD系统的性能提供了可能。
引言
有机废物的快速增加和日益严重的全球能源危机已成为主要的环境问题。厌氧消化（AD）被广泛认为是一种可持续且环保的生物技术，它能够高效管理有机废物，同时产生可再生生物能源（Batstone等人，2015；Jabbar等人，2022；Khadim等人，2022；Mao等人，2015）。此外，AD因其减少温室气体排放和促进碳中和目标的潜力而受到越来越多的关注（Hao等人，2015）。AD的性能受到操作参数的强烈影响，尤其是温度，温度决定了微生物群落结构和代谢，最终影响过程的稳定性和效率（Akindolire等人，2022；Nie等人，2021）。根据操作温度，AD系统通常被分为嗜热型（55–60°C）、中温型（35–37°C）和嗜冷型（≤20°C）（Dev等人，2019；Wang等人，2018）。在中温或嗜热条件下通常可以获得最佳的沼气产量，而中温系统在实际应用中最为广泛（Hupfauf等人，2018；Yadvika等人，2004）。然而，维持反应器温度需要大量的能量输入，特别是在冬季，这增加了运营成本并限制了经济可行性。相比之下，嗜冷型AD提供了一种有前景的低能耗替代方案（Dhaked等人，2010；Pham等人，2014；Smith等人，2012）。开发能够在低温下稳定运行的AD技术符合提高资源效率和减少能源消耗的全球努力。
温度的降低直接影响微生物的生理活动，通常会导致微生物活性降低和甲烷产量减少（Akindolire等人，2022；Yao等人，2020）。在厌氧微生物组中，丙酸氧化菌（POB）和产甲烷菌对低温特别敏感。由于丙酸的氧化在热力学上不利（ΔG° = +73.7 kJ mol?1），丙酸容易积累（Westerholm等人，2022）。共生型丙酸氧化菌（SPOB）依赖于与消耗氢气和醋酸的产甲烷菌的紧密合作，以实现丙酸向甲烷的转化（Singh等人，2021；Westerholm等人，2022）。主要的SPOB包括Pelotomaculum、Smithella、Syntrophobacter、Syntrophobacterium和Desulfofundulus中的物种（de Bok等人，2001；Westerholm等人，2022）。然而，它们对温度变化的响应在不同研究中有所不同。例如，一些研究者观察到Syntrophobacter和Smithella在15°C时仍然活跃，而Pelotomaculum的活性下降（Ban等人，2013；Liu等人，2024）；而其他研究者则报告称在温度降低时Syntrophobacter和Pelotomaculum>占主导地位（Gan等人，2012）。此外，据报道在低温AD系统中氢营养型和醋酸裂解型产甲烷菌占主导地位（McHugh等人，2004；Petropoulos等人，2017；Singh等人，2022）。总体而言，现有证据证实了在低温下存在SPOB和产甲烷菌，但丙酸转化的效率和最佳微生物组成仍不清楚。
文献中报道的适应低温的微生物群落主要来自自然寒冷生态系统，这限制了它们的可用性和大规模应用。将中性温度的菌种适应低温是一种实用且成本效益高的方法，可以消除运输限制并促进更广泛的区域应用（McKeown等人，2009；Smith等人，2012）。然而，只有少数研究成功证明了中性温度微生物群落对低温条件的适应（Petropoulos等人，2017）。关于这种适应的可行性和潜在的适应机制，尤其是对于产甲烷菌和降解丙酸的菌群，仍存在重要的知识空白（Gunnigle等人，2015；McHugh等人，2004；Rajeshwari等人，2000）。
本研究旨在评估将产甲烷菌群从36°C适应到20°C的可行性，并阐明降解丙酸的微生物群落的变化及其对温度下降的代谢适应。三个半连续搅拌反应器（CSTRs）在不同温度条件下运行：恒定中温（37°C）、突然降温（37°C → 20°C）和逐步降温。通过16S rRNA基因测序分析微生物群落动态，并进行宏基因组分析以揭示与低温适应相关的代谢反应。
实验设置和程序
三个半连续搅拌反应器（CSTRs）（R1、R2和R3），每个反应器的工作体积为1.8 L，均接种了来自处理鸡粪的全规模沼气厂的中性温度污泥（中国山东省民和畜牧公司）。每种处理方式重复进行两次。使用前，将接种物通过1毫米筛网过滤以去除砂粒和大颗粒。接种物的总固体（TS）含量为4.79% ± 0.1%
厌氧性能
在中温反应器（R1）中，实验过程中甲烷产量保持稳定，基于丙酸计算的平均甲烷产量为234 mL gVS?1。在逐步降温的反应器（R2）中，当操作温度降至30°C以下时，甲烷产量在第35至100天期间波动并降至148 mL gVS?1，表明出现了暂时性的不稳定。因此，将R2的温度维持在26°C，直到甲烷产量恢复。如图2b所示，R2中的甲烷产量有所回升
结论
本研究成功地将一种有效的降解丙酸的产甲烷菌群从36°C适应到了20°C。在36°C时，主导的SPOB为Syntrophobacter（41%）和Thermovirga（17%），而在20°C时，菌群变得更加多样化，主要包括Thermovirga（13%）、Cryptanaerobacter（11%）、Smithella（3%）和Syntrophobacter（2%）。产甲烷菌群仍然以醋酸裂解为主，其中Methanothrix的相对丰度为82%
CRediT作者贡献声明
Xingyu Cheng：撰写——初稿，可视化，概念化。Miao Yan：撰写——审阅与编辑，可视化，形式分析。Changrui Wang：形式分析。Yongming Sun：撰写——审阅与编辑，监督。Ying Li：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52300180）、国家自然科学基金（52576243）、广东省基础与应用基础研究基金（2025B1515020045）以及中国博士后科学基金（2024M763281）的财政支持。
