中高温鸡粪厌氧消化微生物调节机制对比及耐热机理研究.pdf

中高温鸡粪厌氧消化微生物调节机制对比及耐热机理研究王晓鑫1，王建1，马峰2，张延平2，王志鹏2，党小燕2，姚赛2，朱彤2，王有昭2，李旭2（1.包头市再生水资源及污水处理有限责任公司，包头014000；2.东北大学机械工程与自动化学院，沈阳110168）摘要：温度对厌氧消化系统内微生物调节机制的影响尚不清楚，通过对比中高温厌氧消化实验，分析了其各自微生物调节机制以及高温厌氧消化耐热机理。结果表明，在底物浓度相同的情况下高温厌氧消化比中温提前 6 天达到产甲烷峰值，高温条件能够缩短厌氧消化反应周期，更有利于有机物的水解酸化和甲烷的生成；Defluviitoga 作为高温厌氧消化过程水解阶段优势菌种，对高温环境具有较好的抗逆性，可将大部分多糖类物质当作电子受体，并降解为醋酸盐、H2和 CO2；Methanosarcina 作为中高温厌氧消化产甲烷阶段优势菌种，能够适应中温高温两种不同环境，且可利用所有甲烷代谢途径（食乙酸、食氢、食甲基化合物），产甲烷潜力巨大。关键词：消化温度；厌氧消化；菌群丰度；微生物多样性；耐热机制中图分类号：X705文献标志码：ADOI：10.16803/ki.issn.10046216.202303048Comparison of microbial regulation mechanisms and heat-resistant mechanism ofanaerobic digestion of chicken manure at medium and high temperatureWANGXiaoxin1，WANGJian1，MAFeng2，ZHANGYanping2，WANGZhipeng2，DANGXiaoyan2，YAOSai2，ZHUTong2，WANGYouzhao2，LIXu2（1.BaotouRenewableWaterResourcesandSewageTreatmentCo.,LTD,Baotou110168,China；2.SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China）Abstract：Theinfluenceoftemperatureonthemicrobialregulationmechanismintheanaerobicdigestionsystemisunclear.Themicrobialregulationmechanismsandthemechanismofheatresistanceofhigh-temperatureanaerobicdigestionbycomparingtheanaerobicdigestionexperimentsatmediumandhightemperatureswereanalyzed.Theresultsshowedthatundertheconditionofthesamesubstrateconcentration,high-temperatureanaerobicdigestionreachedthepeakofmethaneproduction6daysearlierthanmedium-temperature,andhigh-temperatureconditionscouldshortenthereactioncycle,whichwasmoreconducivetothehydrolysisandacidificationoforganicmatterandtheformationofmethane.Defluviitoga,asthedominantstraininthehydrolysisstageofthehigh-temperatureanaerobicdigestionprocess,hadgoodstressresistancetohigh-temperatureandcouldusemostpolysaccharidesaselectronacceptorsanddegradethemintoacetate,H2andCO2.Methanosarcina,asthedominantstraininthemethanogenicstageofmedium-high temperature anaerobic digestion,could adapt to two different environments,use all methane metabolic pathways(eatingaceticacid,hydrogen,andmethylcompounds),andhasgreatpotentialformethaneproduction.Keywords：digestiontemperature；anaerobicdigestion；floraabundance；microbialdiversity；heat-resistantmechanismCLC number：X705生物质能作为世界能源消费体系中的第四大能源，仅次于煤炭、石油和天然气，近年来得到了国家的重点鼓励和扶持，在未来能源结构中，生物质能作为可再生能源将发挥不可替代的作用12。近十年来，我国畜禽粪便年产量基本稳定在 37 亿吨，畜禽粪便中含有丰富的水分（50.5%）、有机质（25.5%）、收稿日期：20230318录用日期：20230519基金项目：国家重点研发计划课题（2020YFC1806402）；沈阳市重大关键核心技术攻关项目（20-202-4-37）作者简介：王晓鑫（1975），男，本科、高级工程师。研究方向：从事污水处理、固体废弃物处理处置科研和管理。E-mail：通信作者：李旭（1996），男，博士研究生。研究方向：固废处理与循环经济。E-mail：lixu_引用格式：王晓鑫，王建，马峰，等.中高温鸡粪厌氧消化微生物调节机制对比及耐热机理研究J.环境保护科学，2023，49（4）：7484.第 49 卷第 4 期2023 年 8月EnvironmentalProtectionScienceVol.49No.4Aug.2023氮（1.63%）、磷（1.54%）、硫化氢以及大量的病原菌等，由于产量巨大且综合利用率不足，是造成环境污染的主要污染源之一3，主要表现为易产生面源污染、粪便中病原体释放、气味恶劣等45，存在分散性、累积性和模糊性等特点，控制难度较大6。然而其作为一种生物质能，得到有效利用可以缓解能源紧张带来的压力并减少其对环境造成的污染。厌氧消化作为畜禽粪便等有机污染物的处置方法之一，可以将有机物转化为 CH4、CO2和各类小分子脂肪酸，实现资源的进一步利用7。温度作为厌氧消化的主要影响因素之一，将厌氧消化划分为常温厌氧消化（1525）、中温厌氧消化（3040）和高温厌氧消化（5060）8，由于常温厌氧消化甲烷产量和有机物降解效率较低，中高温厌氧消化目前应用较为广泛。近年来很多研究表明，在高温厌氧消化过程中，有机物的降解效率、甲烷产量以及挥发性脂肪酸（VFAs）的去除率均高于中温厌氧消化910。KJERSTADIUSetal11通过在 35、55 和 60 下进行厌氧消化实验发现高温能够很好地减少沙门氏菌及大肠杆菌等病原体 的 释 放。FERNNDEZ-RODRIGUEZ et al12利用 Romero 模型对中高温厌氧消化微生物最大生长速率（mu(MAX)）进行拟合，结果表明高温过程生长速率较中温过程提高 27%60%，并在更短时间内实现相同水平有机物的降解；同时 WANGetal13指出通过改变温度进而改变水解酸化细菌和产甲烷菌相对丰度来提高厌氧消化工艺性能。但高温厌氧消化中的菌群易受外部环境的影响，其在厌氧消化过程中的耐热机理及微生物调节机制还有待进一步研究。所以本研究通过对比中高温厌氧消化产气特性及微生物群落结构变化，从分子生物学角度分析其各自微生物调节机制以及高温厌氧消化耐热机理，为实际沼气工程提供理论指导，实现能源高效回收。1 材料与方法 1.1 实验材料原材料鸡粪取自沈阳市某养鸡场，接种污泥取自沈阳市北部污水处理厂污泥浓缩池，取回后利用鸡粪进行驯化处理，保持接种污泥中微生物活性，鸡粪与接种污泥特性，见表 1。表 1 鸡粪与接种污泥的性质Table 1 Properties of chicken manure andinoculated sludge%实验材料TSVSpHCN粗蛋白 粗脂肪 粗纤维钙鸡粪27.29 23.33 46.07 4.73 22.342.4410.72 10.00接种污泥18.12 8.36 6.41 1.2 实验设计本实验采用自行设计的 4 个 3L 独立厌氧消化反应器，见图 1。1.取料口；2.恒温培养箱；3.厌氧消化反应罐；4.进料口；5.搅拌器；6.排气口；7.湿式气体流量计图 1 厌氧消化实验装置Fig.1 Diagram of anaerobic digestion experimentdevice罐体容积为 3L，反应有效容积为 2.5L，反应器设置 2 组，每组反应器内一次性添加鸡粪 150g、接种污泥 500mL，后用去离子水定容至 2.5L，启动前通过向其通入氮气，保证其严格厌氧的环境。温度分别设置为 37 和 55，每组实验设置一组平行实验，实验结果取其平均值。实验过程中每隔 6h搅拌一次，每次 2min，待测样品由取料口取出，产生沼气通过湿式气体流量计实时监测，并定期检测pH、SCOD、氨氮、VFAs、菌群多样性等参数变化。1.3 分析方法沼气产量通过湿式气体流量计（LMF-1）测得，甲烷产量通过甲烷气体检测仪（JK60-CH4）测量并计算测得，物料初始 TS 和 VS 通过重量法（GB/T287312012）测得，溶解性化学需氧量（SCOD）采用重铬酸钾法进行测量（GB/T322082015)，利用纳氏试剂分光光度法测量氨氮（TAN）(HJ5352009)，利用比色法测量总挥发性脂肪酸（VFAs）。采用 16SrRNA 基因测序来分析微生物多样性，首先将样品中的 DNA 采用 CATB 方法进行提取14，并用琼脂糖电泳检测 DNA 的纯度和浓度。第4期王晓鑫等：中高温鸡粪厌氧消化微生物调节机制对比及耐热机理研究75选用特异引物分别对细菌和古菌进行 PCR 扩增。PCR 产物用 2%的琼脂糖凝胶进行电泳检测，后进行文库的构建和上机测序。并利用 PICRCUt 进行基因代谢功能预测，将本实验的基因测序数据与代谢功能已知的菌群全谱系基因功能预测谱数据库进行对比，从而实现对基因代谢功能的预测。其中中高温微生物群落样本分别用 M（Medium）和H（High）表示，M1M8 与 H1H8 分别代表中高温序批式厌氧消化实验随时间变化的 8 次测量结果。2 结果与讨论 2.1 中高温厌氧消化产甲烷性能对比温度是影响厌氧消化过程有机物降解效率的关键因素，中高温厌氧消化过程中甲烷产量、pH、SCOD、氨氮等常规参数的变化，见图 2。图 2(a)可知，在实验前期底物基质相同的情况下，中高温甲烷日产量变化趋势大致相同，在实验中期高温组甲烷日产量于第 19 天率先达到峰值，产量为 39.77mL/gVS，中温组于第 25d 达到峰值，产量为 43.18mL/gVS，结果表明高温对厌氧消化中有机物具有更高的降解效率15，但倘若反应系统内有机质含量过高，高温厌氧消化内会出现较高的碱度和氨氮水平，从而对微生物活性产生抑制。图 2(b)可知，中高温厌氧消化累计产甲烷量分别为 734.75和 699.50mL/gVS，由于底物中有机质含量较高，首先在高温条件下嗜热菌群对温度具有较高耐受性展现出强大的活性，其他菌群在高温环境下会通过提高自身新陈代谢来提高自身耐受性，使系统产生更多的 VFAs，从而影响有机质的降解效率16；但与中温组相比，高温组累计产甲烷量曲线能够较快增长并趋于平缓，同样表明高温下有机物降解率更高，能够有效缩短厌氧消化反应周期。厌氧消化系统内最适 pH 为 6.87.2，过高或过低的 pH 均会对水解酸化细菌和产甲烷菌等微生物产生不同程度的抑制效果。图 2(c)反映了pH 和 VFAs 的变化关系，研究发现中高温实验组pH 均呈现出前期较低对着反应进行逐渐升高的变化趋势，VFAs 也整体呈现出先上升后下降的变化趋势。这是由于大分子有机物在水解酸化细菌的作用下降解为脂肪酸等小分子有机物，从而使VFAs 含量逐步上升，其间同时产生大量游离 H+导致 pH 下降。随着反应进行，产甲烷菌逐渐适应了环境并开始利用系统中游离的 H+与 VFAs 合成CH4，VFAs 含量开始下降，pH 值升高，这与 YANGetal17的研究结果相似。通过对比发现高温组在整个实验过程中的 pH 均高于中温组，且 VFAs 也率先达到峰值，原因是底物中含有较多粗蛋白，蛋白质在高温条件下的转化速率更快，从而提高了系统内的总碱度，对 VFAs 起到了一定的中和作用8,18。ALMEIDAetal19发现高温厌氧消化在不需要人为干预的情况下能够使 pH 稳定在 7.0 左右，而中温厌氧消化则需要加碱来维持反应系统 pH 的稳定。图 2 中高温厌氧消化常规参数对比Fig.2 Comparison of conventional parameters ofmedium and high temperature anaerobic digestionSCOD 的含量能够直观地反映出厌氧消化系统内有机质的含量，图 2(d)可以看出 SCOD 随有机76环境保护科学第49卷质水解呈现出先上升后下降的变化趋势，且高温组在第 16d 率先达到峰值（25170mg/L），中温组在28d 达到峰值（24470mg/L），在序批式实验中底物浓度保持不变，SCOD 浓度会随着产甲烷菌对有机质的利用而逐渐降低，产甲烷古菌 OTU 数目明显上升。在反应结束时，中高温 SCOD 去除率分别达到 66%和 63%，SCOD 含量的变化能够从侧面反映出系统中的有机物得到有效降解20。DUANetal21研究发现 TAN 浓度会对厌氧消化系统产生不同的抑制效果，当 TAN 浓度在 03000mg/L 时不会对系统产生抑制现象，高温产甲烷菌对氨氮的耐受性阈值为 8000mg/L，中温产甲烷菌为 16000mg/L，所以温度的升高会增加氨氮抑制的风险2223。本研究中高温厌氧消化实验氨氮浓度变化如图 2(e)所示，由于底物浓度较低，氨氮浓度均在 3000mg/L以下，不会产生明显的氨抑制现象。由于高温厌氧消化比中温厌氧消化更易受到氨氮抑制，所以在实际工程中尤其在高温厌氧消化工艺中，应避免氨氮浓度过高，使厌氧微生物处于可承受范围之内，保障系统稳定运行。2.2 中高温厌氧消化细菌菌群丰度变化本研究基于 16SrRNA 测序所得的有效数据进行 OTUs 物种聚类分析，分别得到 1717 和 1941 个细菌的 OTU，中高温细菌样本群落变化，见图 3。图 3 中高温细菌样本群落热图Fig.3 Heat map of bacterial community in medium and high temperature samples中温厌氧消化在门水平上优势菌种主要为Firmicutes、Spirochaetes、Bacteroidetes 和Proteobac-teria，相对丰度最高分别为69.11%、45.83%、36.30%、17.84%。这 4 种细菌门下的大部分微生物均可对有机质进行降解并转化为丙酮酸进而产生 VFAs和乙醇等代谢产物24。Firmicutes 中含有众多功能性微生物，在实验前期对大部分有机物（蛋白质、纤维素类、碳水化合物等）进行降解25，随着有机质不断被消耗，菌群相对丰度逐渐降低。Bacteroidetes和 Proteobacteria 作为肠道菌群的优势菌种，主要作用于蛋白质，将其水解为氨基酸，并为自身及其他微生物提供维生素、乳酸和短链脂肪酸等营养物质20,26。高温厌氧消化在门水平上的优势菌种主要为Firmicutes、Thermotogae、Bacteroidetes 和Proteo-bacteria，相对丰度最高分别可以达到 72.61%、33.39%、35.15%、39.95%。其中 Thermotogae 是一类嗜热或超嗜热菌群，如热袍菌等细胞内具有错配修复机制（MMR），在受到热损伤后会使 DNA 片段发生碱基对错位配对，导致遗传信息发生改变，MMR 会切除错误的碱基对，然后通过 DNA 聚合酶和连接酶的作用，合成配对正确的双链 DNA 分子。因此嗜热菌在 DNA 重组反应中发挥介导作用，细胞内部含有识别损伤、启动修复的重组介导功能的蛋白以提高细菌的耐热性。中温（左）和高温（右）温厌氧消化细菌菌群相对丰度柱形，见图 4。图 4（左）可知，中温厌氧消化过程中属水平上优 势 菌 属 主 要 有 unidentified_ Spirochaetaceae、Lactobacillus、Megasphaera 和 unidentified_Lentimi-crobiaceae，其 中 unidentified_ Spirochaetaceae 和Lactobacillus 相对丰度最高可达 43.08%和 20.19%，unidentified_Spirochaetaceae 属于螺旋体科（Spiro-chaetaceae），是一种常见的人畜共患病的病原体，大多存在于被污染的水体及其他环境中，可利用糖类、氨基酸及长链脂肪酸等以维持自身能量需求27。Lactobacillus 隶属于乳杆菌科，可产生乳酸及多种第4期王晓鑫等：中高温鸡粪厌氧消化微生物调节机制对比及耐热机理研究77脂肪酶，可将有机质主要转化为丁酸等脂肪酸类物质，通过 PENGetal28研究发现其在酸性环境中仍然具有较高活性，能够为其他细菌提供可利用的有机硒等微量元素，这些微量元素在一定程度上可减缓细胞凋亡，但 Lactobacillus 与其他细菌的互营共生关系还有待进一步研究29。Lactobacillus 随着反应进行丰度逐渐下降，这与底物浓度及反应系统内的 pH 变化有关。Megasphaera 属于实验前期优势菌种，主要利用 Lactobacillus 产生的乳酸及果糖30，其丰度会随着Lactobacillus 变化而变化。unidentified_Lentimicrobiaceae 是一种严格厌氧、短棒状革兰氏阴性细菌，最适 pH 为 7.0 左右，由于实验后期 pH升高致使其丰度主要体现在中温厌氧消化后期；SUNetal31指出 Lentimicrobiaceae 主要作用于碳水化合物，发酵终产物是乙酸盐、苹果酸盐、丙酸盐、甲酸盐和氢离子。图 4 中温（左）和高温（右）温厌氧消化细菌菌群相对丰度柱形图Fig.4 Histogram of relative abundance of bacterial flora in anaerobic digestion at medium(left)andhigh(right)temperatures高温厌氧消化属水平优势菌种主要为 Defluvii-toga、Proteiniphilum、Herbinix、Caproiciproducens等，相对丰度最高分别可达22.14%、16.68%、15.39%、15.34%。图 4（右）可知，值得注意的是高温厌氧消化中发现的菌群对温度耐受性较高。Defluviitoga作为高温厌氧消化优势菌种，属于 Thermotogae门，是一种嗜热微嗜盐厌氧的化学有机营养型细菌，最适温度为 55，最适 pH 为 6.57.9，具有发酵广谱碳水化合物和酵母提取物的能力，可将大部分的多糖类物质（如葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖等）用作电子供体，降解并转化为醋酸盐、H2和CO2，还可将硫代硫酸盐和元素硫还原为 H2S3233。Proteiniphilum 是一种嗜蛋白质嗜纤维素的功能性细菌，最终产物为乙酸，其在高温厌氧消化反应前中期丰度较高，并随着反应进行丰度逐渐下降，这与系统内底物浓度变化有关。WUetal34检索并筛选了该属四个基因组是否存在碳水化合物活性酶，结果表明所有分析的基因组都包含多种参与逐步水解的酶，包括糖苷水解酶（GH)、碳水化合物酯酶（CE)，并验证了其功能性。Herbinix 和 Caproicipro-ducens 的最适温度范围为 4065，为高温厌氧消化过程中的次优势菌种，其中 Herbinix 主要作用于纤维素，将纤维二糖降解为乙酸、乙醇、丁酸和氢气等产物35。Caproiciproducens 可将果糖作为底物，转化为乳酸、乙酸、正丁酸、正己酸、H2和 CO2，ESQUIVEL-ELIZONDOetal36将其全基因组和反向 氧化基因与其他细菌进行了比较，同样验证了这一观点。通过对中高温 16SrRNA 测序结果细菌群落基因功能预测，分析中高温细菌群落在基因功能上的差异，见图 5。细菌结构域中注释的序列主要分为 6 个功能组：细胞过程、环境信息处理、遗传信息处理、人类疾病、新陈代谢和有机系统，其中细胞之间的膜运输、遗传信息的复制与修复、碳水化合物和氨基酸的代谢所占基因数量最高，可作为细菌基因的主要功能表达。通过对比中高温细菌群落功能预测可以看出，高温厌氧消化细菌基因表达在 6 个功能组中均高于中温组。造成这种现象的原因是高温会促进细胞的新陈代谢，提高细胞与环境之间的物质交换效率，促进细胞内遗传信息的表达。TIANetal37也指出随着温度的升高，水解酸化细菌代谢明显增多，且涉及水解、产酸阶段的细菌多样性明显增加，细菌在高温环境的刺激下，通过提高新陈代谢，促进肽链中二硫键的形成，增加双链 DNA 分子的空间位阻，来保证其在高温下的活性。78环境保护科学第49卷图 5 中高温细菌群落功能预测Fig.5 Prediction of bacterial community function at medium and high temperatures 2.3 中高温厌氧消化古菌菌群丰度变化中高温厌氧消化古菌门水平优势菌种主要为Euryarchaeota，Euryarchaeota 在 16SrRNA 物种进化树上属于一个单系群，包含了古菌中大部分群落，产甲烷阶段的产甲烷菌以及嗜热、嗜盐的厌氧菌等均来自 Euryarchaeota 门。中高温厌氧消化古菌菌群相对丰度，见图 6。图 6(a)可知，中温厌氧消化属水平优势菌种主要 为：Methanosarcina、Methanosaeta、Methanos-phaera、Methanospirillum、Methanoregula，相对丰度最高分别可达到45.38%、24.73%、29.68%、21.50%和 18.24%，其中 Methanosaeta 属于食乙酸产甲烷古菌，主要将乙酸和 H2转化为 CH4，在厌氧消化过程中，也可在一定程度上利用其他类型底物，例如将甲基胺或甲醇歧化为 CH4和 CO238。在中温厌氧消化实验中由于底物逐渐被降解，其丰度随着反应进行逐渐降低，符合微生物生态学变化规律。Methanosarcina 是已知的唯一一种可利用所有甲烷代谢途径的菌群，最适 pH 为 6.58，由于受 pH 影响，主要作为在实验后期优势菌种，Methanosarcina的第一种代谢途径为利用乙酸，并转化为 H2和CO2，然后将 H2和 CO2作为原料合成 CH4；第二种代谢途径是在甲基转移酶的作用下将甲醇、甲胺等化合物转化成甲烷39。值得注意的是，Methanosar-cina 是厌氧消化过程中最重要的产甲烷菌群，还可根据环境温度划分为嗜温甲烷八叠球菌和嗜热甲烷八叠球菌39。高温厌氧消化产甲烷古菌属水平优势菌种相对丰度如图 6(b)，可以看出其在属水平上的优势菌种 主 要 为 Methanosarcina、Methanothermobacter、Methanospirillum、Methanosaeta 和 Methanoregula，由于高温厌氧消化 pH 一直处于 6.5 以上，所以第4期王晓鑫等：中高温鸡粪厌氧消化微生物调节机制对比及耐热机理研究79Methanosarcina 在实验前期即表现出较大的优势，并且丰度随着有机底物消耗而逐渐下降。Methano-thermobacter 是一种热自养氢营养型甲烷嗜热杆菌，最适生长温度为 6570，为实验前期优势菌种，可以将 H2、甲醇等物质转化为 CH4和 CO2，以提供自身细胞生理活动需求40，麻婷婷等41同样发现 Methanothermobacter 是高温条件下石油烃降解产甲烷的优势古菌之一。在实验后期优势菌种主要为 Methanospirillum 和 Methanosaeta，通过对比可以看出中温厌氧消化大部分产甲烷优势菌种同样出现在高温厌氧消化过程中，造成这种现象的原因是这些产甲烷菌对高温具有较好的耐受性，细胞中的 DNA 在高温条件下触发损伤诱导反应（DDR），激活修复蛋白，修复 DNA 损伤，维护细菌基因组的稳定性42。SUTER43指出 DDR 是多层次、多水平调控，与损伤信号转导和 DNA 修复有关的基因多达 500 多个；当 DNA 受到外界环境胁迫造成损伤时 MRN(X)、ATRIP、Rad17 等损伤识别蛋白会通过 ATM、ATR 等蛋白酶将信号传递给效应蛋白，进而影响 DNA 合成、细胞周期、细胞凋亡、衰老以及 DNA 修复等细胞进程44。中高温古菌群落功能预测，见图 7。图 6 中高温厌氧消化古菌菌群相对丰度Fig.6 Histogram of relative abundance of archaea in mid-high temperature anaerobic digestion通过利用 16SrRNA 基因测序数据与代谢功能已知的微生物基因组数据库进行对比，实现了中高温产甲烷古菌基因的功能预测，见图 7，古菌结构域中注释的序列同样分为六个功能组：细胞过程、环境信息处理、遗传信息处理、人类疾病、新陈代谢和有机系统，其代谢通路主要为能量代谢、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、膜运输、遗传信息翻译与表达，KUNDUetal45在中高温连续式厌氧消化实验中发现，与在 55 下运行的反应器相比，37下的反应器能够承受更高的有机负荷且微生物群80环境保护科学第49卷落更加多样化，这与本实验研究一致。中温厌氧消化过程中基因的代谢通路均高于高温厌氧消化，造成这种现象的原因是高温阻断了部分乙酸营养型产甲烷菌的代谢通路，主要以氢营养型产甲烷代谢通路为主，并得到了其他属明确定义的共生产氢细菌的支持，这与 GAOetal46研究结果一致。图 7 中高温古菌群落功能预测Fig.7 Prediction of archaea community function at medium and high temperatures 2.4 中高温厌氧消化 多样性变化为了进一步探究微生物群落结构，基于 16SrRNA 数据集对中高温厌氧消化 多样性指数进行评估47，细菌和古菌的 多样性见表 2 与表 3，本研究每组样品生物覆盖率均在 0.99 以上，可以认为测序深度已基本覆盖样品中的所有物种。表 2 可知，高温厌氧消化过程中样品 observedspecies 指数较高，所含物种较为丰富，且其自身丰富度变化与厌氧消化系统内的底物浓度呈正相关变化，与WITTEBOLLE 的研究结果一致48。Shannon和 Simpson 能够评估物种的均匀度，值越大表示各物种分配越均匀4950，可用来评估优势菌群在反应系统中的地位和作用，可以看出中高温各组样品均匀度指数相差不大，物种分配较为均匀。Chao1 和ACE 的作用与物种数指数类似，数值越大表示表示物种丰富度和多样性越高51，通过对比中高温多样性指数发现，在细菌域中高温厌氧消化的 Chao1 和ACE 指数整体高于中温厌氧消化，而在古菌域中高温厌氧消化的 Chao1 和 ACE 指数整体较低，造成这种现象的原因是水解酸化细菌所覆盖的菌群数量远比产甲烷古菌多，样本中的 OUT 数目即可验证这一观点，温度的变化使水解酸化阶段衍生出更多细菌，产甲烷古菌在受到温度的影响后，在底物充足的情况下，尚且可以通过调节自身代谢来适应第4期王晓鑫等：中高温鸡粪厌氧消化微生物调节机制对比及耐热机理研究81环境胁迫，但随着底物浓度不断被消耗，没有足够能量来维持自身生理活动，多样性指数开始下降，这与前文的研究可以形成呼应。表 2 中高温厌氧消化水解酸化细菌 多样性变化Table 2 Changes in the diversity of acidified bacteria during mid-high temperature anaerobic digestion组数物种数/个均匀度指数多样性指数生物覆盖率ShannonSimpsonChao1ACEM115936.4320.9341816.9111898.4580.993M217427.8190.9871946.0742056.0140.993M312937.3410.9841460.7541564.0260.994M418487.8760.9832075.3462171.5580.992M517587.4610.9702013.7392124.6990.992M618577.4740.9682108.7302193.6570.992M717566.9360.9622059.0342163.8170.991M818697.3310.9732125.7332238.3000.992H122458.0530.9792538.1602607.6590.991H220567.6660.9802365.9652487.2670.990H319217.2750.9762232.20402382.960.990H423918.5970.9912650.5902772.4020.990H518976.8370.9612194.6132335.3480.990H616157.1610.9781880.1542005.0920.992H717696.7840.8981964.0612037.4150.992H816346.8020.9681905.3502043.5470.991表 3 中高温厌氧消化产甲烷古菌 多样性变化Table 3 Variation of alpha diversity of methanogenic archaea during mid-high temperature anaerobic digestion组数物种数/个均匀度指数多样性指数生物覆盖率ShannonSimpsonChao1ACEM15334.1090.822602.843620.1640.998M25845.4130.946631.616644.2140.999M35445.3150.947602.235611.0490.999M45145.4560.951569.836573.3370.999M56245.7420.962669.764685.7700.999M63164.4210.854341.161339.9590.999M71913.6170.812217.400218.0611.000M81893.7800.847204.750209.1071.000H14465.0270.932497.679528.5850.999H25535.1840.939613.061633.9530.998H34835.2440.946516.514527.4990.999H46645.4140.943758.897757.1040.998H55305.3220.941587.554588.9610.999H62762.8990.681298.000308.6410.999H71622.9840.786193.231183.1071.000H81913.1530.805204.034211.3441.00082环境保护科学第49卷 3 结论（1）高温厌氧消化比中温厌氧消化提前 6d 达到产甲烷峰值，由于底物浓度相同，中高温累计产甲烷量相差不大，高温组 pH 始终高于中温组，能够在更短时间达到相对稳定的 pH，系统不易产生酸化现象，且 VFAs 与 SCOD 的变化与甲烷产量变化相似，说明高温条件更有利于有机物的水解酸化和甲烷的生成。（2）中温厌氧消化水解酸化阶段优势菌种为unidentified_ Spirochaetaceae、Lactobacillus 和Mega-sphaera，对酸性环境具有较好的抗逆性，产物为乙酸和丁酸等脂肪酸类物质；高温水解阶段的优势菌种主要为 Defluviitoga、Proteiniphilum、Herbinix 和Caproiciproducens 等，其对高温环境具有较好的抗逆性，其中 Defluviitoga 可将大部分多糖类物质当做电子受体，并降解为醋酸盐、H2和 CO2，提高了水解酸化效率，使厌氧消化反应周期缩短 12%，同时高温环境减少了病原体的产生。中高温厌氧消化产甲烷优势菌群也存在较大差异，且分别属于不同的功能性产甲烷菌。参考文献1袁惊柱,朱彤.生物质能利用技术与政策研究综述J.中国能源,2018,40（6）:1620.2ZHANG LB,YANG T.The Evaluation and Selection ofRenewable Energy Technologies in ChinaJ.Energy Procedia,2014,61:25542557.3YAOY,HUANGG,ANC,etal.Anaerobicdigestionoflivestockmanureincoldregions:TechnologicaladvancementsandglobalimpactsJ.Renewable and Sustainable Energy Reviews,2020,119:109494.4LIU WR,ZENG D,SHE L,et al.Comparisons of pollutioncharacteristics,emission situations,and mass loads for heavymetals in the manures of different livestock and poultry inChinaJ.ScienceofTheTotalEnvironment,2020,734:139023.5唐涛涛,李江,杨爱江,等.秸秆类型及配比变化对污泥厌氧消化中微生物群落的影响J.化工进展,2020,39（2）:667678.6李霞.当前我国畜牧养殖对生态环境的影响J.农业与技术,2016,36（14）:239.7PONSAS,FERRERI,VAZQUEZF,etal.Optimizationofthehydrolytic-acidogenicanaerobicdigestionstage(55C)ofsewagesludge:Influence of pH and solid contentJ.Water 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