Impact of temperature and substrate concentration on degradation rates of acetate, propionate and hydrogen and their links to microbial community structure

溫度和底物濃度對醋酸鹽、丙酸鹽和氫氣降解速率的影響及其與微生物群落結構的聯系

來源：Bioresource Technology, Volume 256, 2018, Pages 44-52

《生物資源技術》，第256卷，2018年，第44-52頁

 

摘要：

摘要部分闡述了本研究調查了溫度（35°C和55°C）和底物濃度（醋酸鹽濃度為20、40和60 g-COD/L）對醋酸鹽、丙酸鹽和氫氣降解速率的影響，并鏈接到微生物群落結構。實驗使用咖啡粉和醋酸鹽作為底物，在連續反應器中運行193天，水力停留時間（HRT）從23天減少到7天。結果表明，高溫對丙酸鹽的產乙酸過程有正面影響，但對醋酸鹽的甲烷化影響不如中溫條件。高氫氣消耗率與非常規產甲烷菌主導相關，溶解氫在醋酸鹽反應器中過飽和。微生物分析顯示，Coprothermobacter和Syntrophaceticus是潛在的合成乙酸氧化細菌，Methanothermobacter和Methanomassiliicoccus是潛在的氫氣營養伙伴，表明醋酸鹽濃度顯著介導了醋酸鹽降解途徑。

 

研究目的：

研究目的是闡明溫度（35°C和55°C）和醋酸鹽濃度（20、40和60 g-COD/L）對醋酸鹽和丙酸鹽降解的影響，特別是鏈接到微生物群落結構，以增加對乙酸和丙酸鹽降解微生物在厭氧消化過程中的作用的理解，從而優化沼氣生產效率和過程穩定性。

 

研究思路：

研究思路基于使用連續反應器，喂食咖啡粉（代表復雜碳源）或醋酸鹽（代表單一碳源），在37°C或55°C下運行193天，HRT從23天逐步減少到7天。通過批次實驗測量醋酸鹽和丙酸鹽降解動力學、氣體和溶解氫氣消耗率，并使用微生物群落分析（如16S rRNA測序）來評估細菌和古菌組成。研究重點在于比較不同溫度和濃度下的降解速率、氫氣利用和微生物變化，以揭示影響機制。

 

測量的數據及研究意義：

1 數據：VFA（揮發性脂肪酸）組成和最大降解速率（Rmax），來自Fig.1。研究意義：這些數據顯示了中溫和高溫下醋酸鹽和丙酸鹽的降解動態，Fig.1a和Fig.1b展示了喂食后24小時內VFA濃度變化，表明中溫條件下醋酸鹽降解更快，而高溫下丙酸鹽降解速率更高，這有助于評估溫度對中間產物積累的影響，為優化HRT提供依據。

 

2 數據：丙酸鹽和醋酸鹽降解曲線，來自Fig.2。研究意義：Fig.2展示了不同濃度丙酸鹽喂食下醋酸鹽的生成和消耗，表明醋酸鹽是丙酸鹽降解的主要中間產物，高溫下醋酸鹽減少更快，這揭示了合成降解路徑的動力學特性，有助于理解底物濃度對代謝途徑的選擇性。

 

3 數據：氣體氫氣消耗率（G-H2CR）和氫氣水平，來自Fig.3和Table 3。研究意義：這些數據比較了不同反應器的氫氣消耗速率，Table 3顯示高溫和髙醋酸鹽濃度下G-H2CR更高，Fig.3可視化氫氣濃度變化，表明咖啡粉反應器有更高的氫氣利用，這關聯到合成降解的熱力學可行性，為微生物群落功能提供指標。

 

 

4 數據：溶解氫（D-H2）濃度變化，來自Fig.4，使用丹麥Unisense電極測量。研究意義：Fig.4顯示喂食后D-H2出現峰值并穩定在約400 μmol/L，表明氫氣池對氫氣營養產甲烷的作用穩定，但與G-H2CR差異無關，這突出了D-H2作為過程穩定性指標的價值，但暗示微生物結構是主要驅動因素。

 

5 數據：微生物群落結構，包括細菌和古菌組成，來自Fig.5和Fig.6。研究意義：Fig.5展示細菌如Coprothermobacter和Syntrophaceticus的豐度，Fig.6顯示古菌如Methanothermobacter和Methanomassiliicoccus的優勢，這直接鏈接到SAO途徑的激活，說明高醋酸鹽濃度下微生物群落適應導致途徑轉變，對設計針對性消化器有指導意義。

 

 

6 數據：動力學參數如Rmax和K值，來自Table 2。研究意義：Table 2提供了Gompertz模型和一級動力學模型的參數，顯示丙酸鹽在高溫下降解更快，而醋酸鹽在中溫下更優，這量化了溫度對降解速率的影響，為模型預測和過程優化提供基礎數據。

 

結論：

1 高溫對丙酸鹽的產乙酸過程有正面影響，但對醋酸鹽的甲烷化作用影響不如中溫條件，表明溫度選擇性影響不同降解步驟。

2 高氣體氫氣消耗率與非常規產甲烷菌主導相關，尤其是在高溫和高醋酸鹽濃度下，這突出了微生物群落在氫氣利用中的關鍵作用。

3 醋酸鹽濃度顯著介導了醋酸鹽降解途徑，高濃度下趨向合成乙酸氧化路徑，而低濃度下以乙酸裂解路徑為主，這為控制厭氧消化路徑提供了實踐啟示。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量溶解氫（D-H2）數據的研究意義在于，該電極通過高精度微傳感器實時監測液體中的氫氣濃度，提供了對厭氧消化過程穩定性的直接洞察。在本文中，D-H2測量顯示喂食后出現峰值（中溫約1600 μmol/L，高溫約1100 μmol/L），然后穩定在400 μmol/L左右，表明氫氣池對氫氣營養產甲烷的貢獻穩定。這種測量意義在于，D-H2作為熱力學指標，可以反映合成降解的可行性，因為低氫氣分壓是丙酸鹽和醋酸鹽氧化所必需的。然而，本研究發現D-H2水平與溫度或底物濃度無關，而G-H2CR的差異主要源于微生物結構，這表明Unisense電極數據有助于排除氫氣可用性作為限制因素，轉而強調微生物群落調控的重要性。此外，D-H2過飽和提示過程可能存在抑制，但穩定狀態表明系統適應性，這為未來研究提供了監測工具，以優化氫氣管理和提高甲烷產率。