接种源对嗜热滴滤床反应器一氧化碳生物转化影响的时空微生物组差异分析

《Bioresource Technology Reports》：Temporal and spatial variations in anaerobic microbiomes from different inoculum sources for carbon monoxide conversion in thermophilic trickle bed reactor

本研究报告了不同接种源（厌氧污泥、厌氧消化液、牛粪）对嗜热滴滤床反应器（Trickle Bed Reactor, TBR）中一氧化碳（CO）生物甲烷化性能与生物膜微生物群落时空演替的显著影响。研究发现接种源是决定系统启动速度和生物膜功能结构的关键因素，为优化连续TBR工艺提供了重要见解。

　　

要点

接种与营养源：收集与制备

本研究评估了三种不同接种物：活性污泥（AS）、厌氧消化污泥（AD）和牛粪（CM）的一氧化碳（CO）转化能力。CM采集自Hofmansgave Slot牛场，AD来自Midtfyn沼气厂，AS来自Ejby M?ller污水处理厂，这些地点均位于丹麦菲英岛。表1详细列出了每种接种物和营养介质的特点。

由于接种物来源不同，所含固体的尺寸各异，因此在使用前进行了预处理。

反应器性能

三个接种TBR系统在125天内的性能通过输出气体成分、CO转化率（CR_CO）、甲烷产率（PR_CH4）和二氧化碳产率（PR_CO2）在不同CO负荷率（LR_CO）下的表现进行了评估，如图2所示。在这三个反应器中，接种了AS的R₁表现出了最快的启动速度，在CO负荷率为5.16 Nm³m^?3d^?1的条件下，10天内就实现了CO的完全转化。该系统迅速稳定，平均甲烷和二氧化碳产率分别保持在约1和3 Nm³m^?3d^?1。这一卓越的性能反映了接种物中CO氧化微生物和产甲烷古菌之间高效的微生物协同作用。相比之下，接种了CM的R₃启动最慢，在初始CO负荷率下CO转化率低于80%。直到第70天，当CO负荷率降低到2.58 Nm³m^?3d^?1时，该反应器才稳定下来，并达到了超过95%的CO转化效率。这可能是由于CM中缺乏关键的产甲烷菌，导致功能微生物富集延迟。接种了AD的R₂的启动性能介于R₁和R₃之间，在约40天后达到稳定。在反应器启动和稳定阶段，CO₂是主要的产物气体，尤其是在AS反应器中，这与已知的CO生物转化途径相符。随着反应的进行，甲烷产量增加，最终在三个系统中都观察到了高甲烷产率，尤其是在稳定操作条件下。这些结果表明，接种物的选择显著影响了启动动力学和早期性能，但所有系统在长期运行后都达到了相似的最终转化效率。值得注意的是，在AS系统中，一旦达到完全转化，无论CO负荷率如何变化，其性能都保持稳定，这凸显了其微生物群落的鲁棒性。在AD和CM系统中观察到的性能波动与生物膜形成、群落演替过程中的微生物相互作用动态以及可能的抑制化合物积累有关。总体而言，AS因其快速的启动和稳定的性能，被证明是TBR中CO生物甲烷化最有效的接种源。

结论

本研究证明，接种物的来源不仅决定了TBR系统用于CO生物甲烷化的生物膜微生物组成，还决定了其功能和结构的时空动态。接种物快速建立CO氧化微生物与产甲烷微生物之间协同关系的能力，比整体微生物多样性更为重要。在连续的CO负荷下，反应器最终都趋向于形成以甲烷嗜热杆菌（Methanothermobacter）为主的生物膜，这证实了该属是嗜热条件下CO生物甲烷化的关键功能参与者。微生物群落的时空分析揭示了显著的模式：接种活性污泥（AS）促进了均匀且快速的群落组装，而接种牛粪（CM）则导致生物膜在垂直空间上存在显著的异质性。这些发现表明，接种物的选择是优化反应器启动策略和实现长期工艺稳定性的关键杠杆，特别是在工业规模的CO废气升级回收应用中。未来的研究应侧重于工程化接种策略，以利用特定功能菌群，并缩短启动时间。