《Biomass and Bioenergy》：High temperature drives a thermophilic microbial communities reconstruction with high metabolic potential for achieving higher methane production via hydrogenotrophic methanogenesis
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•在55°C条件下，系统的启动速度更快，甲烷产量是35°C条件下的3.5倍。•在35°C条件下，Mariniphaga物种的富集会抑制水解和产酸过程。•55°C条件有利于Thermoflavimicrobium dichotomicum和Jaminaea rosea的生长。•55
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在55°C条件下，系统的启动速度更快，甲烷产量是35°C条件下的3.5倍。
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在35°C条件下，Mariniphaga物种的富集会抑制水解和产酸过程。
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55°C条件有利于Thermoflavimicrobium dichotomicum和Jaminaea rosea的生长。
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55°C更有利于氢营养型甲烷生成，而非乙酸分解型甲烷生成。
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55°C通过缩短细胞周期并提升物质代谢效率，提高甲烷产量。
引言
大规模农业发展导致畜禽粪便的排放量逐渐增加[1]。这类粪便中含有高浓度的有机物、氮元素以及抗生素[2]，若不经过处理直接排放，会造成严重的水和土壤污染[3]。厌氧消化技术可以将畜禽粪便转化为甲烷这种可持续能源[4,5]，不仅能减少污染物，还能产生清洁能源，因此成为应用最广泛的处理技术之一。
需要指出的是，厌氧消化的甲烷生成能力受多种因素影响，其中温度是一个关键的限制因素[6]。根据温度差异，厌氧消化可分为中温厌氧消化（35°C）和高温厌氧消化（55°C）[7,8]。中温厌氧消化虽然能有效产生甲烷，且成本低、能耗少，但其甲烷生成能力较低，运行周期较长[9]；而高温厌氧消化虽然甲烷产量更高，启动时间更短，但成本也更高[10]。中温和高温厌氧消化适用于不同的工程场景，能够满足各种工程需求[8,11]。不过，如何提升两种条件下的厌氧消化效率仍是一个亟待解决的技术难题。尤其是明确温度调控甲烷生成机制，是提升单位底物甲烷生成效率的关键前提。朱等人发现，升高温度会筛选出特定的温度敏感细菌和古菌，使得微生物群落从中温型转变为高温型，这有助于提高甲烷产量[12]；聂等人则证实，温度变化会影响丙酸和丁酸代谢相关功能途径的富集以及相关酶的活性，从而间接调控挥发性脂肪酸和甲烷的生成[13]。尽管已有不少研究试图阐明温度对甲烷生成的调控机制，但目前的研究仍存在一些不足，制约了对其机制的深入理解：（1）大多数群落研究仅能将微生物鉴定到属的水平，难以确定负责核心降解过程的温度敏感物种[14,15]；（2）虽然真菌在水解和酸化过程中起着不可或缺的作用，但温度变化引发的真菌群落演替及其功能响应很少被纳入厌氧消化温度调控机制的分析中[16,17]；（3）通常情况下，人们仅根据丰度数据就将优势属视为关键功能类群，但这种判断忽略了各个分类单元的实际转录活性和其在代谢途径中的贡献；（4）虽然已有大量研究记录了代谢途径的差异性富集现象[13]，但目前尚缺乏足够的转录证据来证明这些富集基因在不同温度条件下是否能真正表达。
针对上述研究空白，本研究建立了在35°C和55°C条件下运行的牛粪厌氧消化系统，旨在补充和完善现有的理论框架。本研究的核心目标如下：（1）系统探究温度变化对粪便厌氧消化过程中水解、产酸和甲烷生成各阶段的影响；（2）在属和种两个层面解析细菌、真菌和古菌的跨界群落结构，筛选出温度敏感的关键物种，明确不同界别物种之间的协同作用模式，弥补以往研究中缺乏种级分析以及忽视真菌作用的问题；（3）定量评估核心微生物物种对关键代谢途径的转录贡献，区分真正的功能活性与单纯的微生物丰度差异；（4）分析不同温度下功能基因的差异性转录表达情况，准确确定主要的甲烷生成途径。本研究系统阐述了温度调控甲烷生成背后的多界微生物机制，为充分挖掘温度驱动型厌氧消化系统的甲烷生产潜力提供了新的理论依据。
章节要点
牛粪的来源
由于牛粪属于典型的畜禽废弃物，也是沼气工程中最常用的底物之一，因此被选为本研究的原料。这些牛粪采集自四川省的一家畜禽养殖场。干燥牛粪的总固体含量为14.56%，挥发性固体含量为10.1%，总碳含量为36.55%，总氮含量为2.43%。在使用之前，首先会去除牛粪中的大颗粒残留物和秸秆碎片。
不同温度下厌氧消化性能的比较
水解是厌氧消化过程中的主要限速步骤。为了研究温度对水解性能的影响，研究人员在35°C和55°C条件下持续监测了COD浓度（见图1a）。在35°C条件下，初始COD浓度仅为1600.5?mg/L，到第6天时上升至3209.5?mg/L，表明水解过程仍在持续进行。随着厌氧消化进程的推进，COD浓度逐渐下降，到第18天时降至最低值2400.1?mg/L，这说明微生物已高效利用了有机物质，为后续反应提供了足够的
结论
厌氧消化技术能够将难以处理的畜禽粪便转化为甲烷，其处理效果与温度密切相关。本研究表明，55°C条件能加速水解和产酸过程的启动，并使这两个过程的峰值出现得更早、浓度更高，最终甲烷产量达到了152.2?mL/g VS（95%置信区间：62.77-241.63），这一数值是35°C条件下45.41?mL/g VS（95%置信区间：18.31-72.51）的3.35倍（P?Mariniphaga物种过度富集
CRediT作者贡献说明
吴伟民：概念设计，初稿撰写。吴恒：概念设计，审稿与修改。邢志林：概念设计。陈云竹：概念设计。刘兆琴：概念设计。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了安顺学院博士专项基金项目（编号：asxybsjj202411）、安顺市科学技术局“两城三基地”青年科技人才培育项目（编号：anshunshikeren-2024-12-17-01）、教育部高等学校科学研究发展计划·科学技术研究发展中心项目（编号：ZJXF2022164）以及教师工作部门的相关项目的支持。
Weimin Wu|Heng Wu|Zhilin Xing|Yunzhu Chen|Zhaoqin Liu
