有机固废厌氧沼气发酵低温胁迫机制及研究展望

摘要
利用厌氧发酵甲烷化技术处理有机固体废弃物，是实现废弃物能源化、资源化的有效途径。近年来，以沼气能源为核心的生态农业循环经济模式建设在治理农村畜禽粪便面源污染、城市污水污泥无害化处理及生态环境改善等方面取得了显著成效。然而，在我国寒冷地区，由于低温束缚，严重制约了沼气工程运行效能与稳定性。

本文重点分析了低温制约寒冷地区沼气工程化推广的瓶颈，通过综合对比国内外沼气发酵低温胁迫微生物代谢机制的相关研究，阐述了低温生物甲烷高效制备关键技术的突破口与研究趋势，为实现低温沼气工程厌氧菌群体代谢定向调控，提高系统低温抗逆性，提供重要技术和理论参考。


一、发展有机固废甲烷高效制备技术的生态意义和重大需求

有机固废的污染控制与资源化利用已成为全世界高度重视的生态问题之一，是促进经济、环境与生态安全可持续发展的重要举措。近年来，发展以厌氧生物处理技术为核心的生态循环经济，已成为各国的一个研究热点，是解决有机固废无害化处置与资源化利用的重要途径。预计2025年全世界仅城市生活有机废物的年产量将达到30亿吨。利用厌氧生物甲烷转化技术一方面可以补充未来的能源短缺，另一方面可降低石化燃料消耗，减少环境污染，保障公共生态安全。

提倡节能减排，促进固废减量化、无害化和资源化是中国保障生态安全和保护环境的当务之急。以各种有机废弃物为资源，利用生物技术生产清洁的、可再生的沼气能源，可有效缓解我国经济高速发展对能源与环境需求的矛盾，符合循环经济和可持续发展战略，尤其对于推动城镇现代化循环生态经济的发展，具有重要现实意义。但是，在很多寒冷地域，受低温条件制约，有机废物厌氧消化系统常处于低温或低温下的无规律震荡运行，致使厌氧生物代谢活性下降，影响生物甲烷的转化效率，因此，目前尚未得到广泛工程化推广应用。


二、高寒地区沼气发酵技术研究存在的瓶颈问题

冬季平均月温度低于零度的寒冷地域，即使对有机废物厌氧发酵系统采取了一定的保温与辅助增温措施，仍不能有效解决甲烷产量低、发酵系统运行不稳定等问题，无法避免温度不规律性震荡与高损耗的附加能源，严重制约了该技术产业化进程。低温发酵温度的无规律性震荡会导致细菌群体结构、功能及代谢途径紊乱，最终致使沼气发酵系统崩溃或甲烷产量极低。也有研究者发现，发酵细菌对温度震荡具有一定的抵抗机制，并在一定条件下可增强和激发此种行为的发生，并可能基于此种机理，诱导细菌表现出冷适行为，从而降低发酵系统温度。因此，实现寒冷地域持续、规模化有机废物沼气应用，降低运行成本，发现厌氧菌冷胁迫震荡扰动下代谢“韧性—稳定性—活力”的震荡规律和生理逃避机制，提高细菌群体低温代谢调控水平将是关键突破口。


三、国内外有机废物生物甲烷化温度胁迫研究现状及分析

目前，利用厌氧生物技术处理有机废物的规模化工程，应用较多的是温带、热带地区，而在高纬度低温地域较大规模工程应用很少。彻底揭示厌氧嗜低温细菌生理代谢、冷适应机制等，是推动有机废物低温产甲烷技术产业化进程的关键。综述近年来国外针对低温沼气发酵温度震荡的研究，主要集中在产甲烷特性、沼气发酵微生物多样性、结构与功能等方面。

国外有关厌氧发酵微生物基本生态学和代谢特性的研究远领先于国内，尤其在运用分子生态学方法与组学技术研究厌氧菌群落结构、功能与代谢机制等方面。大量研究结果表明，低温抑制产甲烷菌代谢活性，导致细菌生物多样性显著降低，是影响甲烷转化效能的重要因子，通过生态因子调控，辅助保温、增温措施，可一定程度上缓解低温的束缚，使厌氧发酵系统逐步恢复稳定运。然而，低温沼气发酵过程温度震荡对生物甲烷过程的冲击，常胁迫厌氧产甲烷系统发生不可逆性的彻底崩溃。这种扰动引起沼气发酵微生物群体响应，包括初级发酵细菌、次级发酵细菌及产甲烷菌等多样性、群落结构发生紊乱，代谢功能出现弹性震荡，改变有机碳的代谢走向。

研究发现

1、加拿大科学家D. I. Masse早在2003年就研究发现5°C温度震荡的低温沼气发酵过程中产甲烷菌代谢活性受到严重抑制，SCOD降解率显著下降，干扰了沼气发酵细菌的动力学过程稳定性及代谢进程。

2、爱尔兰国立大学R.M. McKeown教授研究团队2009基于长期运行的低温厌氧发酵系统，年首次对低温波动下的产甲烷菌演替与产甲烷特性进行了系统研究，发现15°C以下的温度震荡对产甲烷菌过程是致命的，细菌生物多样性极具降低，即使Methanosaeta sp.丰度也严重受到抑制。

3、日本科学家M. Ike及其课题组2010年发现低温下的温度震荡，将驱动厌氧发酵专以某一种类型的挥发性有机酸为主的甲烷转化途径，当出现乙酸或丙酸浓度的瞬时积累，表明系统微生物群落已转变产甲烷的代谢方式，极易致使发酵细菌与产甲烷菌代谢失衡。

4、美国科学家P. M. Ndegwa(2008)和韩国教授S. H. Lee(2012)年发现部分产酸发酵细菌与产甲烷菌可以适应一定尺度上的低温扰动，只是表现在一段时期内出现群落功能的暂时休眠或类群相对丰度的变化。一定尺度内的低温震荡可能激发厌氧菌的低温冷适功能，特殊适应能力的产酸发酵微生物类群丰度与多样性随之增加，进而正向驱动产甲烷菌群的代谢能力。


发现低温沼气发酵温度震荡扰动行为的同时，国外研究者也开展了一些关于生态因子调控的研究，尝试抗低温厌氧发酵温度扰动的技术探索。爱尔兰科学家A. M. Enright课题组2007年研究发现低温厌氧发酵温度波动的生物膜系统，增加有机负荷及运行时间，驱动系统发酵细菌提高有机物降解率，产甲烷菌群由乙酸营养型的Methanosarcina逐渐过渡为氢营养型产甲烷菌，具有协同产酸发酵功能微生物类群丰度增加。加拿大教授W. J. Gao等2011年利用淹没式生物膜反应器处理有机废水，研究温度震荡下的产甲烷与细菌特性，发现调整低温震荡运行的有机负荷和停留时间，可补偿由于SCOD降解率下降而引起的产甲烷波动，但生物多样性变化非常显著[23]。然而，研究结果仍无法解释受到冷激胁迫的细菌群体响应规律，尤其是菌群紊乱部分菌群的功能逃避机制，尽管通过生态因子调控可以一定程度上缓解，仍然无法制定出有效地控制策略。

国内而言，北方地区沼气工程冬季沼气产量仅为0.1~0.3m、3m-3digester d-1，原料降解率还不足30%，沼气发酵系统运行极不稳定。近年来，我国有关低温厌氧消化产甲烷发酵过程各阶段微生物学特性开展一些研究工作，如厌氧发酵水解细菌的分离与鉴定，厌氧菌群的分布特征，产氢产乙酸菌与产甲烷菌的互营共生关系等。哈尔滨工业大学董春娟等(2008)对发现不同低温条件下运行EGSB厌氧消化啤酒废水，发现温度降低过程中，提高进水负荷可补偿由于低温导致的COD去除率降低，提高甲烷产量。朱文秀等(2012)利用IC反应器处理啤酒废水，通过优化各生态因子，在温度变化过程中得到最大比甲烷产率210mlgVSSd-1，发现在低温扰动时降低低负荷运行时Methanosarcina sp.逐渐处于优势种群地位。

哈尔滨工业大学马放教授课题组(2013)对低温与温度变化的沼气发酵特性研究发现，低温不仅改变细菌多样性与结构，有机物停留时间也会延长2~3倍，促进协同发酵细菌丰度与活性可提高低温降解效率。然而，目前还没未见有针对低温发酵温度震荡沼气发酵微生物的温度群体代谢应答、与环境因子间生态学问题、以及关于沼气发酵细菌抗冷激的韧性与冷适机制的报导。


四、温度扰动胁迫厌氧沼气发酵研究前景

目前还并未有针对低温沼气发酵冷胁迫方式，以及温度震荡尺度对厌氧发酵系统细菌群体抗温度扰动能力与代谢应答机制研究的相关报导。这种冷胁迫扰动行为对沼气发酵细菌存在怎样的“韧性—稳定性—活力”功能震荡与抗逆机制，哪些关键酶基因决定了碳的代谢走向与中心产甲烷代谢途径。因此，从微生物代谢与分子水平探明沼气发酵细菌群体功能的恢复力与抗逆功能韧性，发现细菌抗低温震荡的诱导机制，以及一些特殊功能的抗性菌群，通过定向培养激发抗低温震荡的代谢能力，通过辅助工艺参数最大限度降低厌氧发酵系统能耗，推进低温地区沼气发酵工程实践应用。如何最大限度地提高沼气发酵微生物抗冷温胁迫和震荡扰动的甲烷转化能力，以及研究高效代谢水平调控策略，是实现寒冷地区沼气应用产业化的关键。因此，急需探明低温沼气发酵细菌温度的群体震荡规律与抗逆机制，发现一些特殊的抗逆专性微生物类群，为定向调控厌氧菌群体代谢进程，提高低温产甲烷能力，探索重要理论和技术基础，研究成果将对我国寒区有机废物沼气能源产业化的步伐具有非常重大的理论价值和现实意义。