揭秘厌氧反应器：微生物 “暗战” 如何影响沼气生产及系统稳定？

为解决厌氧反应器中微生物相互作用及群落演替不明等问题，作者[第一作者单位] 研究人员开展蔗糖转化沼气的研究。结果揭示了相关动态变化及因果关系。该研究对提升可再生生物燃料生产、优化反应器性能意义重大，值得科研读者一读。

　　

在当今追求可持续发展的时代，将有机废物转化为可再生能源的厌氧降解技术，无疑是环保领域的一颗璀璨明星。想象一下，那些原本被视为垃圾的有机废物，经过一系列神奇的过程，摇身一变成为清洁的能源，这是多么令人兴奋的事情！而在这个过程中，微生物就像是一群隐藏在幕后的 “小精灵”，发挥着至关重要的作用。

厌氧降解的过程，其实就是微生物们的一场 “协作盛宴”。就拿蔗糖降解来说，发酵性厌氧菌首先 “登场”，它们把蔗糖分解成 C? - C?挥发性脂肪酸（VFAs）和 H?。接着，互营细菌和产甲烷古菌 “接力”，通过互营作用将这些代谢产物转化为沼气。但这场 “盛宴” 并不总是一帆风顺的，VFAs 的氧化需要克服热力学限制，而且微生物之间的相互作用极其复杂，就像一张无形的大网，时刻影响着能量的释放以及微生物的生长和甲烷的产生。

在厌氧反应器启动阶段，让接种的微生物菌群适应并形成一个高效的功能群落，是一个巨大的挑战。虽然之前有不少研究关注了反应器性能、群落组成和潜在微生物相互作用之间的关系，但是在群落演替过程中，微生物相互作用的变化以及它们对系统性能的影响，仍然是一个未解之谜。而且，以往的研究方法存在一些局限性，比如采样间隔不频繁，还有很多研究假设微生物之间的相互作用是线性和静态的，这显然无法准确描绘厌氧反应器系统的复杂性。毕竟，在反应器启动过程中，微生物会不断适应变化的环境，微生物网络、生物能量学和群落组装之间存在着动态的相互作用。

为了揭开这些谜团，来自 作者[第一作者单位] 的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Time-varying microbial interactions and community succession in anaerobic reactors converting sucrose to biogas” 的论文。他们通过深入研究，得出了一系列重要结论，这些结论对于优化生物技术、提高可再生生物燃料的生产效率和稳定性具有重要意义。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：

• 经验动态建模（EDM）：这种方法就像是一个 “时间显微镜”，专门用于分析非线性动态系统。它直接对微生物时间序列数据进行评估，而不是像传统方法那样假设数据具有静态统计特性，能够更真实地反映微生物相互作用的动态变化。
• 多视图距离正则化（MDR）S - 映射方法：该方法基于 EDM 框架，能够从时间序列数据中重建高维、时变的相互作用网络，让研究人员可以深入了解微生物群落中各个成员之间的 “关系图谱”。
• 收敛交叉映射（CCM）方法：这是一种用于识别非线性动态系统中因果关系的有力工具，帮助研究人员确定反应器性能、群落结构和网络属性之间的因果联系。

接下来，让我们一起看看研究人员都有哪些重要发现吧：

1. 评估反应器性能和相应的分解代谢能量学
   研究人员运行了一个 54 升的上流式厌氧污泥床反应器，在 110 天的运行过程中，他们发现反应器的 COD 去除率就像坐过山车一样，波动很大，从 77.9% 到 97.6% 不等。一开始，COD 去除率有所下降，然后大幅波动，直到大约第 80 天才稳定下来，此时甲烷产量也变得稳定。在这个过程中，代谢物的变化也很有趣，乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐在最初的 50 - 60 天同步积累，之后转变为以乙酸盐和丙酸盐为主。同时，氢气分压也经历了先升高后降低的过程。

从能量动力学的角度来看，整个反应的实际吉布斯自由能变化（ΔG??′）在最初 60 天波动很大，之后逐渐稳定在约 - 870 kJ / 反应。这表明反应器性能逐渐趋于稳定，蔗糖降解的放能作用更强。而且，研究人员还发现，蔗糖发酵释放的能量比 VFAs 降解和产甲烷反应释放的能量多得多，这意味着发酵性细菌在能量获取方面占据了 “大头”。此外，在高 H?分压下，VFAs 降解偶尔会变成吸能反应，这说明产甲烷菌对降低 H?分压至关重要，否则丙酸盐和丁酸盐的氧化就无法顺利进行。
2. 群落结构的变化
通过 16S rRNA 基因扩增子测序，研究人员发现微生物群落主要由发酵性细菌组成，占比高达 71.4% ± 6.7%，其次是产甲烷古菌（4.9% ± 1.9%）和互营细菌（3.6% ± 1.0%）。这些微生物的种类和数量在不同时间变化很大，比如优势发酵性细菌属，像 Clostridium sensu stricto 6、Streptococcus 等，丰度随时间波动明显。

主坐标分析（PCoA）显示，在反应器启动的前 50 - 60 天，微生物群落结构发生了剧烈变化，并且与生物能量条件的变化密切相关。这个阶段，微生物组成的更替速度很快，就像一场快速的 “微生物大换班”，同时伴随着生物量的大量损失。随着时间的推移，微生物组成逐渐稳定下来，Bray - Curtis 差异减小，Shannon 多样性也趋于稳定，此时 COD 去除效率提高，整体反应的 ΔG??′也稳定在一个较窄的范围内，这一系列变化最终促进了高效的甲烷生产。这表明分解代谢能量学、微生物多样性和群落演替之间可能存在着相互依赖的关系。
3. 相互作用网络的变化
研究人员利用 MDR S - 映射方法重建了核心类群的相互作用网络，通过跟踪网络的结构不稳定性，发现微生物群落的演替可以分为三个阶段。在早期不稳定阶段（第 3 - 40 天），网络不稳定性在第 20 - 30 天达到峰值，然后在过渡阶段（第 41 - 80 天）逐渐下降，到了最后稳定阶段（第 81 - 110 天），不稳定性指数维持在较低水平，这意味着网络变得更加稳定。

进一步分析发现，发酵性细菌在群落演替过程中可能对系统不稳定性起到了推动作用，而某些产甲烷古菌和严格的丁酸盐氧化互营细菌则有助于网络的稳定。在不同阶段，反应器性能和群落结构也有明显差异。在不稳定阶段，COD 去除率低且波动大，VFAs 和 H?积累；过渡阶段，COD 去除率逐渐上升，VFAs 积累减少；稳定阶段，反应器性能稳定，乙酸盐和丙酸盐的波动很小。而且，微生物之间的相互作用复杂性也在不断增加，正负相互作用的比例和强度都发生了变化，到了稳定阶段，正负相互作用的比例几乎相等。
4. 独特的微生物相互作用
研究人员深入研究微生物之间的相互作用后发现，同一营养级内微生物之间的相互作用比例波动比不同营养级之间更大。比如，发酵性细菌内部的偏害共生（ - /0）现象较为普遍，随着系统的稳定，这种相互作用的比例不断增加，这可能是因为发酵性细菌在糖类发酵能力上功能冗余，导致它们对糖的竞争加剧。

而在互营细菌和产甲烷古菌中，共生（ + /0）相互作用的波动更为明显。研究还发现，多功能互营菌与产甲烷古菌之间的相互作用比严格的丁酸盐和丙酸盐氧化互营菌更强。在不同阶段，这些相互作用也有所不同，比如在过渡阶段，Syntrophorhabdus 与氢依赖型甲基营养型 Methanomassiliicoccus 和氢营养型 Methanobacterium 之间存在较强的正相互作用，但在稳定阶段，当 H?水平检测不到时，Syntrophorhabdus 与某些甲基营养型产甲烷菌之间的相互作用变弱。这说明互营关系是高度动态的，可能与 H?浓度密切相关。
5. 反应器性能、群落结构和微生物相互作用之间的因果关系
通过 CCM 分析，研究人员发现相互作用网络的结构不稳定性与系统性能、生物能量学、相互作用强度以及微生物 α 多样性显著相关。反应器就像一个复杂的反馈动态系统，微生物相互作用、群落组成和代谢物谱（如 ΔG??′）相互影响，共同推动微生物群落从一个阶段演替到下一个阶段。这种复杂的反馈机制引导着污泥接种物中的微生物群落建立起强大的网络结构，增强了物种间的相互作用，进而促进了反应器性能的稳定和提升。也就是说，蔗糖分解过程中更强的放能活动与微生物群落结构和相互作用网络的稳定性增加有关。

在讨论部分，研究人员指出，他们的研究首次全面描述了产甲烷反应器中反应器性能、生物能量学、群落结构和网络属性之间的复杂反馈关系。与以往研究单一确定性因素对群落组装或反应器性能的影响不同，他们关注的是厌氧反应器系统的内在动态和复杂性。即使在固定参数的操作条件下，微生物群落结构和反应器性能仍然发生了显著变化，这表明微生物种群自身驱动了群落组装的时间变化，而这些变化背后的 “推手” 是化学反应（代谢物和自由能）、群落结构和物种相互作用之间的复杂反馈机制。

研究还发现，随着微生物群落从初始接种物阶段向功能群落阶段转变，群落稳定性随着复杂性和平均相互作用强度的增加而提高。虽然这一结果与某些关于鱼类群落的研究结果不同，但与理论模型相符，即相互作用复杂性在决定群落稳定性方面可能起着更关键的作用。此外，研究人员还观察到，随着反应器运行，正负相互作用都在增加，且平均负相互作用强度超过正相互作用强度，这可能是反应器系统从过渡阶段到稳定阶段稳定性急剧增加的原因之一，而这一变化与 H?积累的缓解时间相吻合，说明 H?水平的变化对微生物相互作用和群落稳定性有着重要的调节作用。

从相互作用类型来看，同一营养级内的相互作用比不同营养级之间的相互作用更具变异性，且各营养级内的相互作用大多是不对称的。发酵性细菌在系统稳定过程中，偏害共生比例增加，负相互作用强度增强，反映了它们对蔗糖的竞争加剧；而互营细菌和产甲烷古菌则通过共生关系，在不断变化的底物和代谢物条件下更好地生存。

这项研究的结果对于实际应用具有重要意义。它表明可以通过管理微生物相互作用的复杂性来提高反应器的效率和稳定性。例如，在启动新反应器时，选择合适的接种微生物菌群，如具有高物种多样性或能促进网络稳定的菌群，或者进行生物强化，引入具有有利网络特征的特定微生物类群，都有可能改善反应器的性能。研究中发现的 Syntrophus、Syntrophorhabdus 和 Methanomassiliicoccus 等微生物，在稳定群落相互作用方面具有很高的潜力，值得进一步研究。此外，一些被称为 “微生物暗物质” 的未知类群，虽然在实际应用中面临着培养和了解不足的挑战，但它们在相互作用网络中也起着重要作用，未来需要借助培养依赖和组学方法对它们的生理和生态功能进行深入探索。

总的来说，这项研究通过非线性经验动态建模方法，结合高分辨率时间序列数据，系统地探索了沼气生产系统启动后时变相互作用网络的特征和微生物群落的分解代谢性能。研究结果揭示了微生物群落从反应器启动到稳定运行过程中，是由微生物相互作用、群落结构和分解代谢能量学之间的复杂反馈机制驱动的。这不仅加深了我们对微生物相互作用动态的理解，提升了对微生物生态学的认识，更为可持续沼气生产系统的稳定性和效率管理提供了新的思路和方法。不过，由于评估微生物群落时采用的代谢条形码分析可能在扩增子制备和测序过程中引入偏差，影响微生物组状态空间重建的准确性，这些研究结果还需要在未来进一步验证。但无论如何，这项研究为该领域的发展开辟了新的道路，让我们对厌氧降解技术的未来充满了期待！