厌氧消化是一种高效处理有机废弃物并产生可再生能源的重要方法，其产生的沼气可以提纯制备生物天然气。生物天然气作为一种绿色、低碳、可再生的能源，能够补充能源供应并加强能源安全。特别是在全球能源市场不稳定的背景下，生物天然气成为重要的能源来源之一。并且，随着欧盟碳边境调节机制(CBAM)的实施，进行绿气认证的生物天然气溢价能力进一步提高。这使得厌氧消化在研究和工程应用中越来越受到关注。厌氧消化的原料浓度越高，产气能力就越高。然而，乙酸作为连接产酸和产甲烷过程的关键中间代谢产物，随着原料浓度的升高，其浓度也会升高。乙酸浓度过高会对系统造成冲击，导致甲烷产量下降，甚至导致系统的崩溃。一旦系统崩溃，恢复时间较长，对项目造成较大的经济损失。

中国科学院成都生物研究所生物质废弃物资源化利用创新团队成员曹沁青年副研究员和李东研究员构建了一个实验室规模的厌氧发酵反应器，并以乙酸作为唯一底物。在逐步提高乙酸容积负荷（VLR）的过程中（VLR从0.2 逐步提升到5.0 g/(L·d)），监测了系统的理化指标变化（容积产气率、甲烷浓度、挥发性脂肪酸（VFAs）浓度、碱度、pH等），以及进行了群落多样性分析和宏基因组分析。研究结果表明，当乙酸VLR达到一定程度时，系统会发生挥发性脂肪酸（VFAs）冲击，导致甲烷产量下降。然而，系统可以通过功能微生物的冗余性来缓解这种冲击。在第一次VFAs冲击中(VLR 0.8 g/(L·d))，产甲烷菌Methanosarcina可以迅速消耗乙酸，从而减轻酸抑制。在第二次和第三次VFAs冲击中（VLR 2.7和4.4 g/(L·d)），互营乙酸/丁酸/丙酸氧化细菌（如Synergistaceae、Spirochaetaceae、Cloacimonas、DMER64和Petrimonas）以及产甲烷菌Methanosarcina mazei和Methanosaeta的冗余性发挥了重要作用。这些功能微生物通过不同的代谢途径消耗乙酸和其他VFAs，从而维持系统的稳定性。另外，乙酸型产甲烷菌Methanosaeta和一种新型的互营丙酸氧化菌Petrimonas在第三次冲击后相对丰度显著提高。本研究表明，功能微生物的冗余性是厌氧消化系统应对VFAs冲击的重要机制。

本研究得到了国家重点研发计划课题(2023YFC3905803)和国家自然科学基金（32301279）的支持。相关科研成果“The metabolic redundancy relieving VFAs shocks in anaerobic digestion system exposed sequentially to increasing acetic acid loading”发表在Chemical Engineering Journal期刊上。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159791

高负荷乙酸互营氧化产甲烷菌系的互营代谢冗余性