Impact of temperature and substrate concentration on degradation rates of acetate, propionate and hydrogen and their links to microbial community structure

溫度和底物濃度對(duì)醋酸鹽、丙酸鹽和氫氣降解速率的影響及其與微生物群落結(jié)構(gòu)的聯(lián)系

來源：Bioresource Technology, Volume 256, 2018, Pages 44-52

《生物資源技術(shù)》，第256卷，2018年，第44-52頁

 

摘要：

摘要部分闡述了本研究調(diào)查了溫度（35°C和55°C）和底物濃度（醋酸鹽濃度為20、40和60 g-COD/L）對(duì)醋酸鹽、丙酸鹽和氫氣降解速率的影響，并鏈接到微生物群落結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)使用咖啡粉和醋酸鹽作為底物，在連續(xù)反應(yīng)器中運(yùn)行193天，水力停留時(shí)間（HRT）從23天減少到7天。結(jié)果表明，高溫對(duì)丙酸鹽的產(chǎn)乙酸過程有正面影響，但對(duì)醋酸鹽的甲烷化影響不如中溫條件。高氫氣消耗率與非常規(guī)產(chǎn)甲烷菌主導(dǎo)相關(guān)，溶解氫在醋酸鹽反應(yīng)器中過飽和。微生物分析顯示，Coprothermobacter和Syntrophaceticus是潛在的合成乙酸氧化細(xì)菌，Methanothermobacter和Methanomassiliicoccus是潛在的氫氣營(yíng)養(yǎng)伙伴，表明醋酸鹽濃度顯著介導(dǎo)了醋酸鹽降解途徑。

 

研究目的：

研究目的是闡明溫度（35°C和55°C）和醋酸鹽濃度（20、40和60 g-COD/L）對(duì)醋酸鹽和丙酸鹽降解的影響，特別是鏈接到微生物群落結(jié)構(gòu)，以增加對(duì)乙酸和丙酸鹽降解微生物在厭氧消化過程中的作用的理解，從而優(yōu)化沼氣生產(chǎn)效率和過程穩(wěn)定性。

 

研究思路：

研究思路基于使用連續(xù)反應(yīng)器，喂食咖啡粉（代表復(fù)雜碳源）或醋酸鹽（代表單一碳源），在37°C或55°C下運(yùn)行193天，HRT從23天逐步減少到7天。通過批次實(shí)驗(yàn)測(cè)量醋酸鹽和丙酸鹽降解動(dòng)力學(xué)、氣體和溶解氫氣消耗率，并使用微生物群落分析（如16S rRNA測(cè)序）來評(píng)估細(xì)菌和古菌組成。研究重點(diǎn)在于比較不同溫度和濃度下的降解速率、氫氣利用和微生物變化，以揭示影響機(jī)制。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1 數(shù)據(jù)：VFA（揮發(fā)性脂肪酸）組成和最大降解速率（Rmax），來自Fig.1。研究意義：這些數(shù)據(jù)顯示了中溫和高溫下醋酸鹽和丙酸鹽的降解動(dòng)態(tài)，F(xiàn)ig.1a和Fig.1b展示了喂食后24小時(shí)內(nèi)VFA濃度變化，表明中溫條件下醋酸鹽降解更快，而高溫下丙酸鹽降解速率更高，這有助于評(píng)估溫度對(duì)中間產(chǎn)物積累的影響，為優(yōu)化HRT提供依據(jù)。

 

2 數(shù)據(jù)：丙酸鹽和醋酸鹽降解曲線，來自Fig.2。研究意義：Fig.2展示了不同濃度丙酸鹽喂食下醋酸鹽的生成和消耗，表明醋酸鹽是丙酸鹽降解的主要中間產(chǎn)物，高溫下醋酸鹽減少更快，這揭示了合成降解路徑的動(dòng)力學(xué)特性，有助于理解底物濃度對(duì)代謝途徑的選擇性。

 

3 數(shù)據(jù)：氣體氫氣消耗率（G-H2CR）和氫氣水平，來自Fig.3和Table 3。研究意義：這些數(shù)據(jù)比較了不同反應(yīng)器的氫氣消耗速率，Table 3顯示高溫和髙醋酸鹽濃度下G-H2CR更高，F(xiàn)ig.3可視化氫氣濃度變化，表明咖啡粉反應(yīng)器有更高的氫氣利用，這關(guān)聯(lián)到合成降解的熱力學(xué)可行性，為微生物群落功能提供指標(biāo)。

 

 

4 數(shù)據(jù)：溶解氫（D-H2）濃度變化，來自Fig.4，使用丹麥Unisense電極測(cè)量。研究意義：Fig.4顯示喂食后D-H2出現(xiàn)峰值并穩(wěn)定在約400 μmol/L，表明氫氣池對(duì)氫氣營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)甲烷的作用穩(wěn)定，但與G-H2CR差異無關(guān)，這突出了D-H2作為過程穩(wěn)定性指標(biāo)的價(jià)值，但暗示微生物結(jié)構(gòu)是主要驅(qū)動(dòng)因素。

 

5 數(shù)據(jù)：微生物群落結(jié)構(gòu)，包括細(xì)菌和古菌組成，來自Fig.5和Fig.6。研究意義：Fig.5展示細(xì)菌如Coprothermobacter和Syntrophaceticus的豐度，F(xiàn)ig.6顯示古菌如Methanothermobacter和Methanomassiliicoccus的優(yōu)勢(shì)，這直接鏈接到SAO途徑的激活，說明高醋酸鹽濃度下微生物群落適應(yīng)導(dǎo)致途徑轉(zhuǎn)變，對(duì)設(shè)計(jì)針對(duì)性消化器有指導(dǎo)意義。

 

 

6 數(shù)據(jù)：動(dòng)力學(xué)參數(shù)如Rmax和K值，來自Table 2。研究意義：Table 2提供了Gompertz模型和一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的參數(shù)，顯示丙酸鹽在高溫下降解更快，而醋酸鹽在中溫下更優(yōu)，這量化了溫度對(duì)降解速率的影響，為模型預(yù)測(cè)和過程優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

 

結(jié)論：

1 高溫對(duì)丙酸鹽的產(chǎn)乙酸過程有正面影響，但對(duì)醋酸鹽的甲烷化作用影響不如中溫條件，表明溫度選擇性影響不同降解步驟。

2 高氣體氫氣消耗率與非常規(guī)產(chǎn)甲烷菌主導(dǎo)相關(guān)，尤其是在高溫和高醋酸鹽濃度下，這突出了微生物群落在氫氣利用中的關(guān)鍵作用。

3 醋酸鹽濃度顯著介導(dǎo)了醋酸鹽降解途徑，高濃度下趨向合成乙酸氧化路徑，而低濃度下以乙酸裂解路徑為主，這為控制厭氧消化路徑提供了實(shí)踐啟示。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測(cè)量溶解氫（D-H2）數(shù)據(jù)的研究意義在于，該電極通過高精度微傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液體中的氫氣濃度，提供了對(duì)厭氧消化過程穩(wěn)定性的直接洞察。在本文中，D-H2測(cè)量顯示喂食后出現(xiàn)峰值（中溫約1600 μmol/L，高溫約1100 μmol/L），然后穩(wěn)定在400 μmol/L左右，表明氫氣池對(duì)氫氣營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)甲烷的貢獻(xiàn)穩(wěn)定。這種測(cè)量意義在于，D-H2作為熱力學(xué)指標(biāo)，可以反映合成降解的可行性，因?yàn)榈蜌錃夥謮菏潜猁}和醋酸鹽氧化所必需的。然而，本研究發(fā)現(xiàn)D-H2水平與溫度或底物濃度無關(guān)，而G-H2CR的差異主要源于微生物結(jié)構(gòu)，這表明Unisense電極數(shù)據(jù)有助于排除氫氣可用性作為限制因素，轉(zhuǎn)而強(qiáng)調(diào)微生物群落調(diào)控的重要性。此外，D-H2過飽和提示過程可能存在抑制，但穩(wěn)定狀態(tài)表明系統(tǒng)適應(yīng)性，這為未來研究提供了監(jiān)測(cè)工具，以優(yōu)化氫氣管理和提高甲烷產(chǎn)率。