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在厌氧消化（AD）过程中，高氨条件下共营养丙酸氧化菌（SPOB）和共营养乙酸氧化菌（SAOB）对沼气生产至关重要。研究人员探究搅拌和振荡对其降解动力学、微生物群落组成和基因表达的影响。结果表明搅拌阻碍丙酸降解，而振荡促进絮凝和群落活性，该研究为优化沼气系统提供依据。
在当今追求可持续能源的时代，厌氧消化（AD）技术备受瞩目，它能将有机废物转化为可再生能源沼气，同时还能生产绿色化学品和可持续肥料，为实现碳中性社会助力。然而，在厌氧消化过程中，高氨环境常常成为阻碍。当降解富含蛋白质的废弃物，如鸡粪或屠宰场废料时，氨抑制现象频繁出现。这不仅会影响微生物群落中关键成员的活性，还会导致挥发性脂肪酸（VFA）积累，降低沼气产量，严重时甚至使整个消化过程失败。
在高氨条件下，共营养丙酸氧化菌（SPOB）和共营养乙酸氧化菌（SAOB）成为推动厌氧消化进程的关键角色。它们与氢营养型产甲烷菌紧密协作，通过种间电子转移，实现丙酸和乙酸的氧化，维持反应的热力学可行性。不过，在实际的厌氧消化反应器中，混合操作虽常见，但其对共营养酸氧化群落的影响却鲜为人知。毕竟，这些群落高度依赖细胞间的紧密 proximity 来发挥最佳功能，而混合带来的剪切力和流体运动可能会干扰它们的相互作用。
为了深入了解这一现象，瑞典农业科学大学（Swedish University of Agricultural Sciences）的研究人员开展了一项研究。他们以高氨条件下的中温富集培养物为研究对象，分别对其进行磁性搅拌和轨道振荡处理，旨在探究不同混合模式对共营养酸氧化群落的影响。研究人员通过一系列实验，分析了不同条件下培养物的降解速率、微生物群落组成以及微生物代谢活动的变化。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是采用计算流体动力学（CFD）建模，评估不同混合模式产生的流体动力学力和细胞分布；二是进行 16S rRNA 基因扩增子测序和定量 PCR（qPCR），监测微生物群落结构的变化；三是提取 RNA 并测序，开展元转录组分析，探究基因表达的差异。
降解实验结果
研究发现，在乙酸喂养的培养物中，不同运动方式对降解速率影响较小，但搅拌会延长 StA 培养物的滞后期。而在丙酸批次试验中，搅拌对丙酸降解产生了显著的负面影响，仅有一个重复样本开始降解，且滞后期大幅延长。相反，振荡运动缩短了滞后期。此外，研究还观察到，与先前在添加酵母提取物的培养基中培养的富集培养物不同，本研究中乙酸和丙酸在初始阶段同时降解。
CFD 建模与絮凝观察
CFD 建模显示，搅拌产生较高的剪切速率，且垂直深度越深，剪切速率越高，这使得细胞分布均匀；而振荡产生的剪切速率较低，细胞在培养瓶底部聚集。视觉观察表明，搅拌抑制了絮凝的形成，而振荡则促进了更大絮凝物的产生。这表明搅拌和高剪切应力对丙酸降解的损害大于乙酸降解，可能是因为 SPOB 比 SAOB 更依赖絮凝和与产甲烷菌的 proximity。
微生物组成与动态变化
微生物群落分析结果显示，底物类型和降解进程是影响群落结构的主要因素，而运动方式的影响较小。在乙酸喂养的培养物中，SAOB 的属 Syntrophaceticus 和 Tepidanaerobacter 在滞后期占主导地位，乙酸氧化开始后，Syntrophaceticus 的相对丰度增加。在丙酸降解过程中，Tepidanaerobacter 最初占主导，随着丙酸氧化的启动，’Ca. Syntrophopropionicum’的相对丰度增加。
基因表达分析
元转录组分析表明，运动诱导的基因下调与 SAOB 和另一种表达甘氨酸合酶还原酶途径基因的细菌的运动性、表面感知和生物膜形成有关。搅拌还抑制了 SPOB 中草酸 - 甲酸反向转运体的表达，这表明该能量守恒机制可能依赖于空间 proximity。此外，搅拌和振荡对产甲烷菌的基因表达影响显著，上调了许多参与氢营养型产甲烷作用的基因。
研究结论表明，搅拌严重阻碍了共营养丙酸氧化的起始，而对共营养乙酸氧化影响较小。振荡则减少了滞后期，促进了微生物聚集，增强了 SPOB 与产甲烷菌之间的相互作用。运动虽对微生物群落组成和酸降解速率影响有限，但引发了共营养群落关键的转录变化。这些发现强调了在厌氧消化器中谨慎控制混合策略的重要性。在丙酸水平上升时，过度的剪切应力可能阻碍关键的共营养过程，导致 VFA 积累和过程不稳定；而适度的搅拌促进微生物聚集，可提高共营养效率和沼气产量。该研究深化了人们对流体动力学力如何影响共营养相互作用的理解，为优化厌氧反应器设计、提高其性能和稳定性提供了重要依据，尤其是在高氨和高 VFA 条件下。同时，这一成果也有助于设计特定系统，通过调整混合条件，将丙酸和其他 VFA 作为最终产品生产，具有重要的理论和实践意义。
