利用深层含水层微生物群落构建高效有机酸降解型生物甲烷化系统

本研究针对微生物甲烷化过程中有机酸积累抑制产甲烷活性的问题，利用日本岛弧带深层含水层微生物群落（含氢营养型产甲烷菌Methanothermobacter与厌氧发酵菌群），构建了可持续降解甲酸/乙酸/丙酸的协同系统。实验证明该群落使CH4产率稳定维持在1.9 mmol/L/d（30阶段），显著优于单一菌株体系（后期下降57%），为生物甲烷化（Power-to-gas）技术提供了环境适应性更强的解决方案。

　　

在全球变暖与碳中和背景下，将CO₂转化为CH₄的生物甲烷化技术备受关注。传统化学催化法需高温高压且易受硫化物毒化，而微生物法虽可在温和条件下运行，却面临两大瓶颈：一是产甲烷菌严格厌氧特性使系统易受氧气干扰，二是代谢积累的丙酸等有机酸会显著抑制产甲烷活性。此前研究多聚焦单一菌株优化，但长期运行中CH₄产率衰减问题始终未解。

日本静冈大学（Shizuoka University）的研究团队独辟蹊径，从四国-九州岛弧带1,489米深的含水层（温度40.2°C，ORP -230 mV）中获取天然微生物群落。该环境因沉积层有机质降解已形成"发酵菌产H₂/CO₂→产甲烷菌合成CH₄"的完美共生体系。研究人员通过30阶段连续培养实验（每阶段气体置换为H₂/CO₂混合气至250 kPa，50°C静置培养），对比了三种体系：单一氢营养型产甲烷菌（M. thermautotrophicus ΔH）、产甲烷菌与发酵菌（A. thermolimosa IMO-1）双菌体系、以及深层含水层微生物群落体系。

关键技术包括：1）采用激光光谱仪实时监测CH₄浓度；2）HPLC定量培养液中甲酸/乙酸/丙酸等有机酸；3）SYBR Green I荧光染色法计数微生物密度；4）Illumina MiSeq测序分析16S rRNA基因揭示群落结构演变。

研究结果揭示：
微生物甲烷化系统构建
单一产甲烷菌体系后期CH₄产率降至1.2 mmol/L/d（较前期下降57%），而微生物群落体系保持1.9-2.0 mmol/L/d稳定输出。

微生物细胞密度与有机酸浓度
群落体系培养末期丙酸浓度仅4.7 mM，显著低于单一菌株体系的27.5 mM，且pH维持在7.8更适区间。

微生物群落系统发育分析
原始地下水样本中Thermodesulfovibrio（31%）和Methylococcaceae（17.6%）占优，而培养30阶段后Methanothermobacter成为绝对优势菌（65%），同时保留Pseudothermotoga（11.5%）等发酵菌。

结论表明，深层含水层微生物群落通过两类关键机制维持高效甲烷化：1）Thermodesulfovibrio等嗜热菌持续分解抑制性有机酸；2）Pseudothermotoga等发酵菌与产甲烷菌形成 syntrophic relationship（互营关系），将有机酸转化为H₂/CO₂供产甲烷菌利用。该研究首次证实天然微生物群落的生态位互补特性可有效解决工业生物甲烷化中的有机酸毒性难题，为开发抗环境波动的Power-to-gas系统提供了全新设计思路。论文发表于《World Journal of Microbiology and Biotechnology》，为地质微生物资源在新能源领域的应用开辟了新途径。