有機固廢厭氧沼氣發酵低溫脅迫機制及研究展望
趙光1, 2, 賈蘭3，鄭盼3，冀麗爽3，馬放1, 2*
（1. 哈爾濱工業大學 市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；2. 哈爾濱工業大學 城市水資源與水環境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090；3. 遼寧工業大學 化學與環境工程學院，遼寧 錦州 12100；）
摘要：利用厭氧發酵甲烷化技術處理有機固體廢棄物，是實現廢棄物能源化、資源化的有效途徑。近年來，以沼氣能源為核心的生態農業循環經濟模式建設在治理農村畜禽糞便面源污染、城市污水污泥無害化處理及生態環境改善等方面取得了顯著成效。然而，在我國寒冷地區，由于低溫束縛，嚴重制約了沼氣工程運行效能與穩定性。本文重點分析了低溫制約寒冷地區沼氣工程化推廣的瓶頸，通過綜合對比國內外沼氣發酵低溫脅迫微生物代謝機制的相關研究，闡述了低溫生物甲烷高效制備關鍵技術的突破口與研究趨勢，為實現低溫沼氣工程厭氧菌群體代謝定向調控，提高系統低溫抗逆性，提供重要技術和理論參考。
關鍵詞：有機固體廢棄物；厭氧發酵；低溫；微生物代謝
The Mechnism and Research Prospect of Organic Waste Anaerobic Fermentation Restricted by Low-temperature
ZHAO Guang1, 2, JIA Lan3, ZHENG Pan3，JI Li-shuang1，MA Fang1, 2*
(1. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; 2. State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China;3. School of Chemical and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, JinZhou 121001)
Abstract: Using organic solid wastes to produce metahne is the effective technology for realizing waste to energy
and resources. In recent years, the biogas energy as the core of the eco-agriculture construction of recycle economy mode in governance rural livestock and poultry manure non-point source pollution, urban sewage sludge harmless treatment and improve the ecological environment, made remarkable achievements. However, in the cold area of our country, because of the low temperature, the operation efficiency and stability of the biogas project have been severely restricted. This paper focused on the analysis of the low temperature is the bottleneck of the promotion of biogas engineering and research related to microbial metabolism, through comprehensive comparison of domestic and foreign methane fermentation under low temperature stress, describes the key technology breakthrough and the research trend of preparation of low-temperature biological methane of high, real low temperature biogas engineering groups of anaerobic bacteria metabolism directional control, improve the system of low temperature resistance, provide important technical and theoretical reference.
Key words: Organic solid waste; anaerobic digestion; low temperature; microbial metabolism
1發展有機固廢甲烷高效制備技術的生態意義和重大需求
有機固廢的污染控制與資源化利用已成為全世界高度重視的生態問題之一，是促進經濟、環境與生態安全可持續發展的重要舉措[1,2]。近年來，發展以厭氧生物處理技術為核心的生態循環經濟，已成為各國的一個研究熱點，是解決有機固廢無害化處置與資源化利用的重要途徑。預計2025年全世界僅城市生活有機廢物的年產量將達到30億噸[3]。利用厭氧生物甲烷轉化技術一方面可以補充未來的能源短缺，另一方面可降低石化燃料消耗，減少環境污染，保障公共生態安全。[1]
提倡節能減排，促進固廢減量化、無害化和資源化是中國保障生態安全和保護環境的當務之急。以各種有機廢棄物為資源，利用生物技術生產清潔的、可再生的沼氣能源，可有效緩解我國經濟高速發展對能源與環境需求的矛盾，符合循環經濟和可持續發展戰略，尤其對于推動城鎮現代化循環生態經濟的發展，具有重要現實意義。但是，在很多寒冷地域，受低溫條件制約，有機廢物厭氧消化系統常處于低溫或低溫下的無規律震蕩運行，致使厭氧生物代謝活性下降，影響生物甲烷的轉化效率，因此，目前尚未得到廣泛工程化推廣應用。
2高寒地區沼氣發酵技術研究存在的瓶頸問題
冬季平均月溫度低于零度的寒冷地域，即使對有機廢物厭氧發酵系統采取了一定的保溫與輔助增溫措施，仍不能有效解決甲烷產量低、發酵系統運行不穩定等問題，無法避免溫度不規律性震蕩與高損耗的附加能源，嚴重制約了該技術產業化進程。低溫發酵溫度的無規律性震蕩會導致細菌群體結構、功能及代謝途徑紊亂，最終致使沼氣發酵系統崩潰或甲烷產量極低[4,5]。也有研究者發現，發酵細菌對溫度震蕩具有一定的抵抗機制，并在一定條件下可增強和激發此種行為的發生，并可能基于此種機理，誘導細菌表現出冷適行為，從而降低發酵系統溫度[6]。因此，實現寒冷地域持續、規模化有機廢物沼氣應用，降低運行成本，發現厭氧菌冷脅迫震蕩擾動下代謝“韌性—穩定性—活力”的震蕩規律和生理逃避機制，提高細菌群體低溫代謝調控水平將是關鍵突破口。
3國內外有機廢物生物甲烷化溫度脅迫研究現狀及分析
目前，利用厭氧生物技術處理有機廢物的規模化工程，應用較多的是溫帶、熱帶地區，而在高緯度低溫地域較大規模工程應用很少。徹底揭示厭氧嗜低溫細菌生理代謝、冷適應機制等，是推動有機廢物低溫產甲烷技術產業化進程的關鍵。綜述近年來國外針對低溫沼氣發酵溫度震蕩的研究，主要集中在產甲烷特性、沼氣發酵微生物多樣性、結構與功能等方面。
國外有關厭氧發酵微生物基本生態學和代謝特性的研究遠領先于國內，尤其在運用分子生態學方法與組學技術研究厭氧菌群落結構、功能與代謝機制等方面[7-9]。大量研究結果表明，低溫抑制產甲烷菌代謝活性，導致細菌生物多樣性顯著降低，是影響甲烷轉化效能的重要因子，通過生態因子調控，輔助保溫、增溫措施，可一定程度上緩解低溫的束縛，使厭氧發酵系統逐步恢復穩定運[10-12]。然而，低溫沼氣發酵過程溫度震蕩對生物甲烷過程的沖擊，常脅迫厭氧產甲烷系統發生不可逆性的徹底崩潰。這種擾動引起沼氣發酵微生物群體響應，包括初級發酵細菌、次級發酵細菌及產甲烷菌等多樣性、群落結構發生紊亂，代謝功能出現彈性震蕩，改變有機碳的代謝走向[13-15]。
加拿大科學家D. I. Masse早在2003年就研究發現5°C溫度震蕩的低溫沼氣發酵過程中產甲烷菌代謝活性受到嚴重抑制，SCOD降解率顯著下降，干擾了沼氣發酵細菌的動力學過程穩定性及代謝進程[16]。愛爾蘭國立大學R. M. McKeown教授研究團隊2009基于長期運行的低溫厭氧發酵系統，年首次對低溫波動下的產甲烷菌演替與產甲烷特性進行了系統研究，發現15°C以下的溫度震蕩對產甲烷菌過程是致命的，細菌生物多樣性極具降低，即使Methanosaeta sp.豐度也嚴重受到抑制[17]。日本科學家M. Ike及其課題組2010年發現低溫下的溫度震蕩，將驅動厭氧發酵專以某一種類型的揮發性有機酸為主的甲烷轉化途徑，當出現乙酸或丙酸濃度的瞬時積累，表明系統微生物群落已轉變產甲烷的代謝方式，極易致使發酵細菌與產甲烷菌代謝失衡[13, 18]。美國科學家P. M. Ndegwa（2008）和韓國教授S. H. Lee（2012）年發現部分產酸發酵細菌與產甲烷菌可以適應一定尺度上的低溫擾動，只是表現在一段時期內出現群落功能的暫時休眠或類群相對豐度的變化[19, 20]。一定尺度內的低溫震蕩可能激發厭氧菌的低溫冷適功能，特殊適應能力的產酸發酵微生物類群豐度與多樣性隨之增加，進而正向驅動產甲烷菌群的代謝能力[14, 21]。
發現低溫沼氣發酵溫度震蕩擾動行為的同時，國外研究者也開展了一些關于生態因子調控的研究，嘗試抗低溫厭氧發酵溫度擾動的技術探索。愛爾蘭科學家A. M. Enright課題組2007年研究發現低溫厭氧發酵溫度波動的生物膜系統，增加有機負荷及運行時間，驅動系統發酵細菌提高有機物降解率，產甲烷菌群由乙酸營養型的Methanosarcina逐漸過渡為氫營養型產甲烷菌，具有協同產酸發酵功能微生物類群豐度增加[22]。加拿大教授W. J. Gao等2011年利用淹沒式生物膜反應器處理有機廢水，研究溫度震蕩下的產甲烷與細菌特性，發現調整低溫震蕩運行的有機負荷和停留時間，可補償由于SCOD降解率下降而引起的產甲烷波動，但生物多樣性變化非常顯著[23]。然而，研究結果仍無法解釋受到冷激脅迫的細菌群體響應規律，尤其是菌群紊亂部分菌群的功能逃避機制，盡管通過生態因子調控可以一定程度上緩解，仍然無法制定出有效地控制策略。
國內而言，北方地區沼氣工程冬季沼氣產量僅為0.1~0.3 m3 m-3digester d-1，原料降解率還不足30%，沼氣發酵系統運行極不穩定[24]。近年來，我國有關低溫厭氧消化產甲烷發酵過程各階段微生物學特性開展一些研究工作，如厭氧發酵水解細菌的分離與鑒定，厭氧菌群的分布特征，產氫產乙酸菌與產甲烷菌的互營共生關系等[25, 26]。哈爾濱工業大學董春娟等（2008）對發現不同低溫條件下運行EGSB厭氧消化啤酒廢水，發現溫度降低過程中，提高進水負荷可補償由于低溫導致的COD去除率降低，提高甲烷產量[27]。朱文秀等（2012）利用IC反應器處理啤酒廢水，通過優化各生態因子，在溫度變化過程中得到最大比甲烷產率210 ml gVSS d-1，發現在低溫擾動時降低低負荷運行時Methanosarcina sp.逐漸處于優勢種群地位[28]。哈爾濱工業大學馬放教授課題組（2013）對低溫與溫度變化的沼氣發酵特性研究發現，低溫不僅改變細菌多樣性與結構，有機物停留時間也會延長2~3倍，促進協同發酵細菌豐度與活性可提高低溫降解效率[29]。然而，目前還沒未見有針對低溫發酵溫度震蕩沼氣發酵微生物的溫度群體代謝應答、與環境因子間生態學問題、以及關于沼氣發酵細菌抗冷激的韌性與冷適機制的報導。
4溫度擾動脅迫厭氧沼氣發酵研究前景
目前還并未有針對低溫沼氣發酵冷脅迫方式，以及溫度震蕩尺度對厭氧發酵系統細菌群體抗溫度擾動能力與代謝應答機制研究的相關報導。這種冷脅迫擾動行為對沼氣發酵細菌存在怎樣的“韌性—穩定性—活力”功能震蕩與抗逆機制，哪些關鍵酶基因決定了碳的代謝走向與中心產甲烷代謝途徑。因此，從微生物代謝與分子水平探明沼氣發酵細菌群體功能的恢復力與抗逆功能韌性，發現細菌抗低溫震蕩的誘導機制，以及一些特殊功能的抗性菌群，通過定向培養激發抗低溫震蕩的代謝能力，通過輔助工藝參數最大限度降低厭氧發酵系統能耗，推進低溫地區沼氣發酵工程實踐應用。如何最大限度地提高沼氣發酵微生物抗冷溫脅迫和震蕩擾動的甲烷轉化能力，以及研究高效代謝水平調控策略，是實現寒冷地區沼氣應用產業化的關鍵。因此，急需探明低溫沼氣發酵細菌溫度的群體震蕩規律與抗逆機制，發現一些特殊的抗逆專性微生物類群，為定向調控厭氧菌群體代謝進程，提高低溫產甲烷能力，探索重要理論和技術基礎，研究成果將對我國寒區有機廢物沼氣能源產業化的步伐具有非常重大的理論價值和現實意義。
參考文獻
1. Ng W., P Q., Lam H. L., Varbanov P S., et al. Waste-to-Energy (WTE) network synthesis for Municipal Solid Waste (MSW). Energ. Convers. Manage., 2014, 85(9) : 866-874.
2. Karthikeyan O. P., Visvanathan C. Bio-energy recovery from high-solid organic substrates by dry anaerobic bio-conversion processes: a review. Rev. Environ. Sci. Bio., 2013, 12(3): 257-284.
3. Charles W., Walker L., Cord-Ruwisch R. Effect of pre-aeration and inoculum on the start-up of batch thermophilic anaerobic digestion of municipal solid waste. Bioresour. Technol., 2009, 100(8): 2329-2335.
4. McKeown R. M., Scully C., Enright A. M., et al. Psychrophilic methanogenic community development during long-term cultivation of anaerobic granular biofilms. The ISME journal, 2009, 3(11): 1231-1242.
5. Amani T., Norsati M., Sreekrishnan T. R. Anaerobic digestion from the viewpoint of microbiological, chemical, and operational aspects — a review. Environ. Rev., 2010, 18:255-278.
6. Cipolla A., D'Amico S., Barumandzadeh R., et al. Stepwise adaptations to low temperature as revealed by multiple mutants of psychrophilic α-amylase from Antarctic bacterium. Journal of Biological Chemistry, 2011, 286(44): 38348-38355.
7. Riviere D., Desvignes V., Pelletier E., et al. Towards the definition of a core of microorganisms involved in anaerobic digestion of sludge. The ISME journal, 2009, 3(6): 700-714.
8. Delmont T. O., Simonet P., Vogel T. M. Describing microbial communities and performing global comparisons in the ‘omic era. The ISME journal, 2012, 6(9): 1625-1628.
9. Vanwonterghem I., Jensen P. D., Ho D. P., et al. Linking microbial community structure, interactions and function in anaerobic digesters using new molecular techniques. Curr. Opin. Biotech., 2014, 27: 55-64.
10. Ike M., Inoue D., Miyano T., et al. Microbial population dynamics during startup of a full-scale anaerobic digester treating industrial food waste in Kyoto eco-energy project. Bioresour. Technol., 2010, 101(11): 3952-3957.
11. Schlüter A., Bekel T., Diaz N. N., et al. The metagenome of a biogas-producing microbial community of a production-scale biogas plant fermenter analysed by the 454-pyrosequencing technology. J. Biotechnol., 2008, 136(1): 77-90.
12. Schwarzenauer T., Illmer P. PLFA profiles for microbial community monitoring in anaerobic digestion. Folia Microbiol., 2012, 57(4): 331-333.
13. Gao W. J., Leung K. T., Qin W. S., et al. Effects of temperature and temperature shock on the performance and microbial community structure of a submerged anaerobic membrane bioreactor. Bioresource technology, 2011, 102(19): 8733-8740.
14. Saady N.M. C., Massé D. I. Psychrophilic anaerobic digestion of lignocellulosic biomass: a characterization study. Bioresour. Technol., 2013, 142: 663-671.
15. Madani-Hosseini M., Mulligan C. N., Barrington S. Microbial kinetic for In-Storage-Psychrophilic Anaerobic Digestion (ISPAD). Journal of environmental management, 2014, 146: 59-68.
16. Massé D. I., Masse L., Croteau F. The effect of temperature fluctuations on psychrophilic anaerobic sequencing batch reactors treating swine manure. Bioresour. Technol., 2003, 89(1): 57-62.
17. McKeown R. M., Scully C., Enright A. M., et al. Psychrophilic methanogenic community development during long-term cultivation of anaerobic granular biofilms. The ISME journal, 2009, 3(11): 1231-1242.
18. Ike M., Inoue D., Miyano T., et al. Microbial population dynamics during startup of a full-scale anaerobic digester treating industrial food waste in Kyoto eco-energy project. Bioresour. Technol., 2010, 101(11): 3952-3957.
19. Ndegwa P. M., Hamilton D. W., Lalman J. A., et al. Effects of cycle frequency and temperature on the performance of anaerobic sequencing batch reactors (ASBRs) treating swine waste. Bioresour. Technol., 2008. 99(6): 1972-1980.
20. Lee S H., Kang H. J., Lee Y. H., et al. Monitoring bacterial community structure and variability in time scale in full-scale anaerobic digesters. J. Environ. Monito, 2012, 14(7): 1893-1905.
21. Bialek K., Cysneiros D., O’Flaherty V. Hydrolysis, acidification and methanogenesis during low-temperature anaerobic digestion of dilute dairy wastewater in an inverted fluidised bioreactor. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2014, 98(20): 8737-8750.
22. Enright A. M., Collins G., O’ Flaherty V. Temporal microbial diversity changes in solvent-degrading anaerobic granular sludge from low-temperature (15 °C) wastewater treatment bioreactors. Sys. Appl. Microbiol., 2007, 30(6): 471-482.
23. Gao W. J., Leung K. T., Qin W. S., et al. Effects of temperature and temperature shock on the performance and microbial community structure of a submerged anaerobic membrane bioreactor. Bioresour. Technol., 2011, 102(19): 8733-8740.
24. 趙光, 馬放, 魏利. 北方低溫沼氣發酵技術研究及展望. 哈爾濱工業大學學報, 2011, 43(6): 29-33.
25. 成曉杰, 仇天雷, 王敏等. 低溫沼氣發酵微生物區系的篩選及其宏基因組文庫構建. 中國生物工程雜志, 2010, 30(11): 55-55.
26. 聶艷秋, 劉和, 堵國成等. 廢水產氫產酸/同型產乙酸耦合產酸條件優化, 環境工程學報, 2008, 2(2): 145-149.
27. 董春娟, 劉曉, 趙慶良, 等. 低溫 EGSB 反應器運行機理. 哈爾濱工業大學學報, 2008, 40(10): 1558-1562.
28. 朱文秀, 黃振興, 任洪艷等. IC 反應器處理啤酒廢水的效能及其微生物群落動態分析. 環境科學, 2012, 33(8): 2715-2722.
29. 趙光. 兩段式厭氧工藝產甲烷發酵特性及微生物生態調控機制研究. 哈爾濱工業大學, 2013.
作者簡介：趙光（1980- ），男，黑龍江牡丹江人，博士后，主要從事固體廢棄物資源化技術開發及應用。
[1] 基金項目：第56批中國博士后科學基金（2014M561361）；城市水資源與水環境國家重點實驗室開放基金項目（HCK201608）；國家科技部科學技術產業化項目（2012BAD14B06-04）
