脂肪酸氧化菌与产电菌互营共生体功能主导的厌氧工艺与微生物学机制

It has been demonstrated that many anaerobic Biodegradation went to failure due to accumulation of volatile fatty acids (VFAs), which is responsible for digester souring and has a bad effect on the stable of anaerobic process. To overcome digester souring we must balance the production and degradation of VFAS, depending on the metabolism of functional microbes .Based on the fact that electrogens have a better degradation of acetic acid than methanogens, we proposed a solution for accumulation of VFAS. In our research, we applied the microbial electrolysis cell to the traditional anaerobic process. Syntrophic fatty acids oxidizing bacteria and exoelectrogenic bacteria were enriched on anode, at the same time hydrogen methanogens were enriched on cathode. Furthermore, the degradation of VFAS was enhanced by the voltage and the efficiency of anaerobic biodegradation had some elevation. Our study were conducted in three aspects , the physiological characteristics and ecological functions of syntrophic fatty acids oxidizing bacteria and electrogens; the mechanism of extracellular electron transfer which was realized by the microelectrode-real time online technology; the performance of anaerobic process and the biodiversity of the community. This may have some substantive significance for the anaerobic Biodegradation.

酸化问题是制约厌氧工艺稳定性及进一步提高负荷的瓶颈。厌氧体系有机酸的互营转化及乙酸利用过程受到抑制都会引起酸的累积，对该难题的攻克依赖于这两个代谢过程的平衡并使相应功能微生物代谢能力均得以强化。基于以上认识，结合产电菌相比于甲烷菌对乙酸具有更好转化这一研究成果，课题组在前期研究基础上提出新的解决思路：把产甲烷微生物电解池思想引入到传统厌氧工艺，在厌氧装置中增设阴阳电极，阳极表面驯化脂肪酸氧化菌与产电菌互营共生体，阴极表面驯化氢型甲烷菌，通过外加微电压方式强化不同种类有机酸的同步转化，从而达到解决酸累积并进一步提高废水厌氧处理效能的目的。本研究重点开展了脂肪酸氧化菌与产电菌互营共生体生理特征与生态功能强化技术、利用微电极-实时电极界面在线观察手段揭示互营共生体电子传递机制及互营共生体功能主导的厌氧工艺性能与微生态功能多样性等三方面的研究，以期为推动废水厌氧处理技术革新提供理论依据和技术基础。

进一步提高厌氧系统的甲烷产率及运行稳定性一直是国际研究热点，而对于障碍难题—脂肪酸积累的攻克是开发高效产甲烷技术的突破口。产电菌联合脂肪酸氧化菌（SFOB）及氢营养型甲烷菌产甲烷突破了传统脂肪酸降解的热力学限制并避免了乙酸型甲烷菌产甲烷过程的碳分流，可实现CO2的原位去除而大幅度提高甲烷产率，其工艺体现形式是产甲烷型微生物电解池。课题组基于SFOB具有代谢挥发性脂肪酸（VFAs）的同时可为产电菌及氢型产甲烷菌提供最适宜底物乙酸及氢，以及ERB以MEC形式在阳极利用乙酸的同时可在阴极为氢型甲烷菌古菌提供最适宜底物氢气的事实，提出了产酸发酵菌群、SFOB、产电菌以及氢型产甲烷古菌对有机质梯级利用深度产甲烷的学术思路。本项目重点开展了SFOB与产电菌互营共生体主导的厌氧工艺性能及微生物功能多样性；SFOB与产电菌互营共生体生理、生态功能强化技术；SFOB与产电菌互营共生体的互营代谢机制等3方面的研究，.通过该项目研究：开发了一套可实现产酸发酵菌群、SFOB菌群、产电菌群及氢型产甲烷古菌对有机质梯级利用深度产甲烷合理匹配的新工艺；获得了互营共生体主导的厌氧工艺对有机物降解和产甲烷的强化特性及动力学特征；确立了该工艺处理污泥水热脱水液的最佳工程控制参数及在中试规模中验证了其高效性；明晰了SFOB和产电菌互营共生体对脂肪酸的互营代谢及促进有机物梯级降解产甲烷的机制。项目在研周期内发表学术论文14 篇，其中国际重要学术期刊SCI 论文9篇，中文核心期刊5篇；接受SCI论文一篇，投递SCI论文6篇；申请国家发明专利7项，其中获授权发明专利3项；获得莆田市科技进步三等奖1项；协办国际会议1次，参加学术会议与交流10人次并均做大会报告；培养博士生4人，硕士生5人；4人职称获得晋升。.本项目提出的研究思路与方法具有创新性，对提高高浓度有机废水的产甲烷能力具有重要的理论指导意义和工程应用价值，对完善微生物生理生态学理论提供了有创造性的补充和探讨。本项目成果可为新开发的厌氧产甲烷工艺实现最优化运行并趋近理论产甲烷率提供了理论与技术基础，对推动厌氧产甲烷技术产业化进程具有重要的意义。本项目开发的产甲烷新技术具有重要的应用前景。