近日，中國科學(xué)院上海高等研究院史吉平研究員、劉莉研究員團隊在基于宏基因組學(xué)的餐廚垃圾多組份協(xié)同高溫厭氧消化產(chǎn)甲烷強化策略的機理研究方面取得進展，研究成果以“Metagenomic characterization of the enhanced performance of multicomponent synergistic thermophilic anaerobic co-digestion of food waste utilizing kitchen waste or garden waste as co-substrate”為題發(fā)表在Water Research期刊上(https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120457)。該研究探究了餐廚垃圾協(xié)同廚余垃圾（或園林垃圾）高溫厭氧共消化的產(chǎn)氣性能，確定了最佳的底物混配比例，并通過宏基因組學(xué)深入解析了底物協(xié)同厭氧消化機制，證實了共消化可以富集微生物菌群中的關(guān)鍵水解菌和嗜氫產(chǎn)甲烷菌，揭示了水解和產(chǎn)甲烷階段編碼關(guān)鍵酶的基因豐度的提高對強化產(chǎn)甲烷的促進作用，提供了一種基于優(yōu)化微生物生境的低成本物料調(diào)配技術(shù)以提高甲烷產(chǎn)量。

　　圖1. 餐廚垃圾高溫厭氧共消化提高產(chǎn)甲烷性能示意圖

　　我國實行垃圾分類后產(chǎn)生的餐廚垃圾的低碳生物處理和資源化、能源化利用，對于無廢城市建設(shè)和雙碳目標實現(xiàn)，都具有重要意義。厭氧消化產(chǎn)甲烷是目前餐廚垃圾處理的主流技術(shù)。然而，餐廚垃圾由于油脂和鹽分含量高、碳氮比低，導(dǎo)致厭氧消化過程中產(chǎn)氣率和生物轉(zhuǎn)化率低等技術(shù)瓶頸問題，亟待尋找一種低成本高效率的厭氧消化產(chǎn)甲烷技術(shù)。

　　針對上述問題，該團隊在餐廚垃圾高溫厭氧消化系統(tǒng)中添加廚余垃圾或者園林垃圾進行共消化，旨在調(diào)節(jié)底物C/N、pH值和難降解組分與易降解組分的比例，以減弱有害物質(zhì)對微生物生長代謝的影響，防止過度酸敗和氨氮抑制，從而提高甲烷產(chǎn)量和有機物轉(zhuǎn)化率。研究結(jié)果表明，與單一餐廚垃圾組相比，最佳配比為餐廚垃圾：廚余垃圾=60:40和餐廚垃圾：園林垃圾=80:20組的產(chǎn)氣量分別提高了73.33%和68.45%。微生物群落結(jié)構(gòu)組成分析顯示共消化增加了優(yōu)勢水解菌Defluviitoga和Hydrogenispora以及嗜氫產(chǎn)甲烷菌Methanoculleus的相對豐度。此外，與水解和產(chǎn)甲烷途徑相關(guān)的關(guān)鍵基因豐度在共消化組中得到了顯著提高。該研究利用不同有機固廢原料作為餐廚垃圾共消化底物加強厭氧消化產(chǎn)氣性能的策略為有機固廢處理和生物能源生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

　　圖2. 厭氧共消化對功能基因的影響

　　論文的第一作者為上海高等研究院博士研究生張斯穎，通訊作者為史吉平研究員和劉莉研究員。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃“固廢資源化”專項“城鎮(zhèn)易腐有機固廢生物轉(zhuǎn)化與二次污染控制技術(shù)”的資助，并獲得了中國循環(huán)經(jīng)濟協(xié)會科技進步獎二等獎。