近期，廣州能源所生物質能生化轉化研究室生物燃氣課題組在產甲烷菌系強化牛糞-秸稈低溫厭氧發酵方面取得系列研究進展，通過投加產甲烷菌系有效解決了低溫厭氧發酵啟動慢、甲烷產率低等問題，并揭示了生物強化低溫厭氧發酵機理，相關研究成果在Chemical Engineering Journal, Bioresource Technology等期刊上相繼發表，主要的研究成果如下： 

　　1．投加中溫/低溫產甲烷菌系強化牛糞-秸稈低溫共發酵 

　　低溫條件下發酵體系內的微生物菌群代謝活性降低，產甲烷古菌與產酸細菌相比對低溫更敏感，產甲烷階段受抑，產酸產甲烷階段失衡，發生酸抑制，產氣性能下降。針對這一問題，分別投加實驗室長期馴化獲得的中溫及低溫產甲烷菌系，對低溫（20℃）批式牛糞-秸稈混合發酵進行生物強化，研究發現：強化體系的甲烷產率提升4倍以上，T₈₀縮短20~30 d。產甲烷菌系的投加優化了發酵體系內的微生物群落結構，丙酸氧化菌（Peptococcaeae）及乙酸型產甲烷菌（Methanothrix）的相對豐度在強化體系內顯著增加，促進了丙酸和乙酸的降解，使產酸與產甲烷階段維持平衡，避免酸抑制，從而提高發酵性能。

圖1. 低溫產甲烷菌系強化牛糞-秸稈低溫共發酵 

　　以上研究成果分別以Bioaugmentation with cold-tolerant methanogenic culture to boost methane production from anaerobic co-digestion of cattle manure and corn straw at 20℃及Bioaugmentation improves batch psychrophilic anaerobic co-digestion of cattle manure and corn straw為題發表于Chemical Engineering Journal及Bioresource Technology。兩篇論文第一作者均為碩士畢業生許芯蕊，通訊作者為李穎研究員。 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143183；https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126118 

　　2．低溫厭氧發酵生物強化機制 

　　揭示了產甲烷古菌比細菌耐冷能力差的原因，即在低溫條件下，細菌編碼多種耐冷基因，如HslJ, Hsp15, CspA, MerR, HtpX, HspQ，而古菌僅編碼兩種耐冷基因（Htpx, CspA），導致古菌在低溫下倍增速率明顯低于細菌。因此提高反應器中產甲烷菌的豐度及其耐冷能力是促進低溫產甲烷的關鍵，通過外源投加產甲烷菌系進行生物強化，可人為干預改變厭氧發酵系統內微生物組成，定向提高關鍵產甲烷菌生物量，促進產甲烷進程。

圖2. 低溫厭氧發酵的生物強化及微生物對低溫的響應機制

　　該研究成果以Effect of bioaugmentation on psychrotrophic anaerobic digestion: Bioreactor performance, microbial community, and cellular metabolic response為題發表于Chemical Engineering Journal。第一作者為博士后閆淼，通訊作者為李穎研究員，原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140173。 

　　以上研究揭示了低溫下厭氧產甲烷的微生物強化機理，構建了性能優越的低溫發酵強化體系，在微生物層面對體系靶向調控；有效促進目標底物降解效率、縮短發酵周期、緩解體系酸抑制、提升低溫厭氧發酵性能，為寒區沼氣工程在冬季的穩定運行提供新思路及理論依據。 

　　上述研究得到國家自然科學基金面上項目、中科院青年創新促進會、中科院戰略性先導科技專項A等項目支持。