有机固废厌氧沼气发酵低温胁迫机制及研究展望

发现低温沼气发酵温度震荡扰动行为的同时，国外研究者也开展了一些关于生态因子调控的研究，尝试抗低温厌氧发酵温度扰动的技术探索。爱尔兰科学家A. M. Enright课题组2007年研究发现低温厌氧发酵温度波动的生物膜系统，增加有机负荷及运行时间，驱动系统发酵细菌提高有机物降解率，产甲烷菌群由乙酸营养型的Methanosarcina逐渐过渡为氢营养型产甲烷菌，具有协同产酸发酵功能微生物类群丰度增加[22]。加拿大教授W. J. Gao等2011年利用淹没式生物膜反应器处理有机废水，研究温度震荡下的产甲烷与细菌特性，发现调整低温震荡运行的有机负荷和停留时间，可补偿由于SCOD降解率下降而引起的产甲烷波动，但生物多样性变化非常显著[23]。然而，研究结果仍无法解释受到冷激胁迫的细菌群体响应规律，尤其是菌群紊乱部分菌群的功能逃避机制，尽管通过生态因子调控可以一定程度上缓解，仍然无法制定出有效地控制策略。

国内而言，北方地区沼气工程冬季沼气产量仅为0.1~0.3 m3 m-3digester d-1，原料降解率还不足30%，沼气发酵系统运行极不稳定[24]。近年来，我国有关低温厌氧消化产甲烷发酵过程各阶段微生物学特性开展一些研究工作，如厌氧发酵水解细菌的分离与鉴定，厌氧菌群的分布特征，产氢产乙酸菌与产甲烷菌的互营共生关系等[25, 26]。哈尔滨工业大学董春娟等(2008)对发现不同低温条件下运行EGSB厌氧消化啤酒废水，发现温度降低过程中，提高进水负荷可补偿由于低温导致的COD去除率降低，提高甲烷产量[27]。朱文秀等(2012)利用IC反应器处理啤酒废水，通过优化各生态因子，在温度变化过程中得到最大比甲烷产率210 ml gVSS d-1，发现在低温扰动时降低低负荷运行时Methanosarcina sp.逐渐处于优势种群地位[28]。哈尔滨工业大学马放教授课题组(2013)对低温与温度变化的沼气发酵特性研究发现，低温不仅改变细菌多样性与结构，有机物停留时间也会延长2~3倍，促进协同发酵细菌丰度与活性可提高低温降解效率[29]。然而，目前还没未见有针对低温发酵温度震荡沼气发酵微生物的温度群体代谢应答、与环境因子间生态学问题、以及关于沼气发酵细菌抗冷激的韧性与冷适机制的报导。

4温度扰动胁迫厌氧沼气发酵研究前景

目前还并未有针对低温沼气发酵冷胁迫方式，以及温度震荡尺度对厌氧发酵系统细菌群体抗温度扰动能力与代谢应答机制研究的相关报导。这种冷胁迫扰动行为对沼气发酵细菌存在怎样的“韧性—稳定性—活力”功能震荡与抗逆机制，哪些关键酶基因决定了碳的代谢走向与中心产甲烷代谢途径。因此，从微生物代谢与分子水平探明沼气发酵细菌群体功能的恢复力与抗逆功能韧性，发现细菌抗低温震荡的诱导机制，以及一些特殊功能的抗性菌群，通过定向培养激发抗低温震荡的代谢能力，通过辅助工艺参数最大限度降低厌氧发酵系统能耗，推进低温地区沼气发酵工程实践应用。如何最大限度地提高沼气发酵微生物抗冷温胁迫和震荡扰动的甲烷转化能力，以及研究高效代谢水平调控策略，是实现寒冷地区沼气应用产业化的关键。因此，急需探明低温沼气发酵细菌温度的群体震荡规律与抗逆机制，发现一些特殊的抗逆专性微生物类群，为定向调控厌氧菌群体代谢进程，提高低温产甲烷能力，探索重要理论和技术基础，研究成果将对我国寒区有机废物沼气能源产业化的步伐具有非常重大的理论价值和现实意义。

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作者简介：

赵光(1980- )，男，黑龙江牡丹江人，博士后，主要从事固体废弃物资源化技术开发及应用。

有机固废厌氧沼气发酵低温胁迫机制及研究展望

赵光1, 2, 贾兰3，郑盼3，冀丽爽3，马放1, 2*

(1. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090;2. 哈尔滨工业大学 城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150090;3. 辽宁工业大学 化学与环境工程学院，辽宁 锦州 12100;)