基于宏组学研究高氨氮胁迫下有机垃圾厌氧消化微生态响应机制

The anaerobic digestion (AD) of organic waste is known to easily suffer instability, and its microbial mechanism remains unclear. Thus, based on the microbial response under stressed conditions, this study will investigate the community structure, metabolic activity, gene expression profiles, proteins expression profiling and abundance in response to high ammonia stress. Techniques including MiSeq, metagenomic, metaproteome and specific methanogenic activity (SMA) tests will be performed. This study is expected to 1) understand the fundamental cause of process instability, and clarify the mechanisms of metabolic repression; 2) identify the key phylotypes with high tolerance, and analyze the cause of its high tolerance; 3) explore the early warning microbial indicators, and reveal its mechanism. The achievement of this study can provide theoretical foundation and technical support for the development of microbial diagnosis and control technology, which can be conductive to ensuring the efficient and stable operation of AD of organic waste.

针对有机垃圾厌氧消化（Anaerobic digestion，AD）过程稳定性差，过程失稳机理机制不清的问题，本项目以微生物对胁迫条件的响应为出发点，结合MiSeq高通量测序、宏基因组学、宏蛋白质组学等分子生物学技术及微生物活性检测技术，研究氨氮胁迫下，有机垃圾厌氧消化过程中微生物群落结构演替，代谢活性、基因功能及蛋白质表达谱和表达丰度的变化。在此基础上1）揭示消化过程失稳根源，阐明其代谢阻遏机理；2）鉴别高耐受性功能菌，阐明其高耐受功能成因；3）探寻微生物预警因子，揭示其预警机制。本课题研究成果可为微生物诊断及调控技术的开发提供理论依据和技术支撑，有助于保障有机垃圾AD高效稳定运行。

本项目以有机垃圾厌氧消化系统为研究对象，开展了串联批次实验和半连续实验，结合了微生物多样性和宏组学技术，从物种和功能层面揭示了氨抑制反应器失稳机理；筛选出了高耐受性功能菌，阐明了其耐受性成因；初步探讨了厌氧消化过程失稳的微生物预警指标。.失稳机理方面，本研究发现乙酸、丙酸和氨基酸代谢都对氨氮敏感，但丙酸代谢才是氨抑制失稳的关键环节，相应的主导菌是失稳关键微生物。尽管丙酸降解菌氨耐受性更高（>4500mg/L），但一旦受抑制既无法通过连续暴露恢复主导菌的丰度也无法诱导出新的功能冗余的微生物。氨抑制失稳是氨胁迫直接抑制了丙酸降解菌，而非产甲烷阶段抑制导致产氢产乙酸阶段反馈抑制造成的。其代谢阻遏机理在于Pelotomaculum属的琥珀酰辅酶A合成酶编码基因sucC/D的丰度和表达活性都在氨抑制下急剧下降，导致负责丙酸互营氧化的MMC途径受到严重抑制且无法恢复。.高耐受性微生物方面，本研究发现Methanosarcina属是高氨氮耐受功能菌，它们的富集可恢复乙酸代谢引起的过程失稳。具体而言，在中等氨胁迫下（~3000mg/L），乙酸降解菌Methanothrix的甲基辅酶M还原酶表达活性下降导致该属的乙酸型甲烷化功能受损，引起乙酸积累和系统性能恶化。Methanosarcina可通过乙酸型、氢型、甲基营养型（甲醇和甲氨）途径产甲烷，且氨抑制下该属的上调蛋白在4条产甲烷途径都被大量富集。指示在氨胁迫系统中强化Methanosarcina，一方面乙酸型甲烷化功能可被强化，另一方面主导乙酸代谢途径可向乙酸互营氧化-氢型甲烷化转移，则乙酸代谢及系统稳定性可被强化。.微生物预警指标方面，尽管失稳关键菌Pelotomaculum在本研究多次失稳过程中都有观测到响应，但无论用其丰度或丰度变化趋势来判断反应器运行状态都缺乏规律性，且其检测复杂、耗时长，因此我们认为在当前技术水平下探索微生物预警因子来进行反应器性能预警是不可取的。.本研究丰富了微生物对氨胁迫响应的理解，可为将来开发更精准的微生物调控方法来改善富氮废物厌氧消化提供了基础数据。