我国是世界上最大的农业国家之一， 同时也是世界上农业废弃物产出量最大的国家，特别是农作物秸秆产出量极大，是世界第一秸秆大国。据统计，截止 2020 年，我国平均每年产生农作物秸秆超过 7 亿吨。如此多的秸秆废弃物如果不能被合理有效地利用，将不可避免地带来许多环境问题。厌氧消化作为一种秸秆能源化利用的方式，不仅可以有效实现秸秆减量化，而且可以产生清洁的能源——沼气，具有良好的环境效益和经济价值。然而秸秆中含有大量不易被微生物降解的结晶态木质纤维素，导致秸秆厌氧消化系统普遍存在甲烷产率低、产速慢的瓶颈。这极大地制约了秸秆厌氧消化工艺的发展和工程的应用。
中国科学院成都生物研究所硕士研究生解智杰在李东研究员的指导下，构建了一套针对秸秆厌氧消化系统的菌-炭生物强化策略。通过对一系列理化指标的测定并结合微生物群落的分析，探究得到了一套适用于玉米秸秆厌氧消化过程的菌-炭生物强化方法，并揭示了其内在的强化机理。结果表明，单独向系统中添加5% 富集驯化后的高温牛胃厌氧纤维素降解菌（RCB）或10g/L活性炭（AC）时均可提升系统的甲烷产率及产甲烷速率，而二者同时添加时具有良好的协同增效作用。炭-菌的协同作用使得系统的纤维素降解率、产甲烷速率和甲烷产率分别较对照组提高30.23%、51.17%和20.35%。AC和RCB对秸秆高温消化系统的强化机理存在较大差异。其中AC通过富集纤维素降解菌（特别是Hydrogenispora）和氢型产甲烷菌Methanothermobacter来提高系统甲烷产率；RCB的添加则提高了纤维素降解菌（Halocella 和 norank_o_M55-D21）以及甲烷八叠球菌Methanosarcina的相对丰度，进而提升了系统产气性能。当AC和RCB协同添加时，系统微生物群落结构兼具二者单独添加时的特征。其强化机理包括：纤维素降解菌的富集，互营乙酸氧化作用的增强以及更加集中的碳代谢流向甲烷。该研究为秸秆厌氧消化过程菌-炭生物强化研究提供了新的技术方法，并为秸秆的高效资源化利用提供了理论支撑。
本研究得到了国家重点研发计划课题(2019YFD1100603)、四川省科技计划项目（2020ZHZY0008，2020ZYD022，2021ZHZY0016）、中科院“西部之光”项目(2018XBZG_XBQNXZ_A_004, 2019XBZG_JCTD_ZDSYS_001)、中国科学院青年创新促进会等的支持。研究成果以硕士研究生解智杰为第一作者、李东研究员为通讯作者发表在Bioresource Technology期刊上。
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秸秆厌氧消化过程菌-炭生物强化研究
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