多阶段合成微生物联合体通过重塑代谢过程并调节功能与稳定性之间的平衡，在厌氧消化过程中优于单阶段增强方法

合成微生物群落通过多阶段协同代谢显著提升甲烷产量并减少丙酸积累，验证了功能导向的菌群构建策略对生物脱氮系统微生物群落重塑及性能优化的机制。

Miaomiao An|Jiarui Yu|Xianghao Lin|Yanjuan Lu|Xiaoxu Li|Jinling He|Guozhu Zhao

北京林业大学生物科学与生物技术学院，林业食品加工与安全重点实验室，中国北京100083

摘要

食品废物的厌氧消化（AD）通常面临甲烷产量低和挥发性脂肪酸（VFAs）积累的问题，这主要是由于原生微生物群落中的效率低下或不平衡所致。为了解决这些代谢和生态限制，我们采用功能驱动策略构建了两个合成微生物群落（SynComs）：一个仅包含产甲烷菌的联合体（SynCom-J）和一个包含水解菌、产酸菌和产甲烷菌的多阶段联合体（SynCom-YSJ）。这两个SynComs都被引入到已经存在完整代谢原微生物组的半连续反应器中，作为生物强化剂。当每天向反应器中添加含有残留大分子有机物和短链VFAs的部分水解原料时，SynCom-YSJ在整个水力保留时间内始终表现优于SynCom-J。在相同的操作条件下，与未进行生物强化的对照组相比，SynCom-YSJ的甲烷产量提高了22%（而SynCom-J仅提高了8%），并且几乎消除了启动延迟阶段；同时，两个联合体都将丙酸积累减少了1.6倍。SynComs的成功定殖重塑了厌氧消化微环境——其特征是乙酸含量升高、丙酸含量降低以及总氨氮含量适度增加但未受到抑制——从而对原微生物群落产生了决定性的选择压力。宏基因组分析显示，SynCom-YSJ引发了更广泛的代谢重编程，上调了参与水解、产酸、种间电子转移、能量代谢以及乙酸裂解/氢营养型产甲烷的相关基因。值得注意的是，微生物网络稳定性与过程性能之间存在权衡：SynCom-J促进了更稳定的网络，而SynCom-YSJ形成了一个更复杂且高效的网络，优先考虑甲烷产量。本研究证明了多阶段生物强化通过有针对性的代谢重塑优化了产甲烷过程，并为设计平衡系统性能和稳定性的SynComs提供了基于生态学的原理。这些发现突显了多阶段生物强化在提高食品废物厌氧消化功能稳健性和系统韧性方面的潜力。

引言

厌氧消化（AD）被广泛用于将食品废物（FW）转化为生物气体。在这一过程中，微生物群落形成了一个复杂而动态的网络，控制着碳的流动，推动有机物的分解并持续产生甲烷（Zhang等人，2024b）。然而，传统的AD系统常常由于原生微生物的低效以及常见的抑制剂（如挥发性脂肪酸（VFAs）积累、氨毒性和低温应力）而面临甲烷产量低和运行不稳定的问题（Chen等人，2025）。鉴于功能性微生物的代谢活动是AD性能的基础，对AD微生物组进行有针对性的调控已成为提高过程效率和稳定性的有前景策略。

生物强化——引入具有特定生物降解能力的特定菌株或联合体——可以弥补关键功能群体的减少或缺失，并调节不同营养级之间的微生物相互作用（Chen等人，2025）。例如，使用共生或电活性细菌（如Geobacter）进行生物强化可以通过加速种间氢和电子转移来优化代谢流（Sun等人，2023）。此外，通过增强代谢冗余和激活应激响应机制（包括群体感应、抗氧化防御和DNA修复），生物强化赋予了生态稳健性，有助于在外部干扰下维持AD的稳定性（Lv等人，2024）。它还提供了一种经济有效的方法来克服低温下的动力学限制，通过引入适应低温的微生物（Yan等人，2023）。最近在有机废物（如厨余垃圾、农业残留物、能源作物和粪便）处理中应用生物强化，已经显示出在提高水解效率（Li等人，2021）、减轻氨抑制（Li等人，2024）和加速丙酸降解（Tian等人，2019）方面的显著效果。总体而言，这些有针对性的干预措施为稳定和优化全规模的AD操作提供了可靠的框架。

合成微生物群落（SynComs）利用定义明确的种间相互作用，比单一菌株或自然微生物组更高效地执行复杂的代谢功能，因为代谢负担在群落成员之间得到了分配（Ruan等人，2024）。最近的研究证明了SynComs在增强特定厌氧过程方面的有效性——例如，通过合作分解碳水化合物的细菌和产酸菌促进水解和产酸（Xiao等人，2024）或使用富集的产甲烷菌培养物增强产甲烷（Li等人，2024）。然而，这些努力主要集中在强化单一代谢阶段（如水解或产甲烷）。设计、引入和生态影响尚未充分理解的SynComs，以协调整个多阶段AD过程（水解-产酸-产甲烷）。具体来说，尚不清楚这种综合干预如何影响群落组装、种间相互作用网络和整体代谢功能，这些都是生态系统韧性和过程性能的关键决定因素。

在这项研究中，我们假设多阶段SynCom可以通过重塑代谢微环境来驱动确定的群落组装并招募关键的功能性分类单元，从而最终提高甲烷产量。我们进一步探讨了这种功能增强是否伴随着微生物网络稳定性的权衡。为了验证这些假设，我们构建了两个不同的SynComs，分别针对单阶段（产甲烷）或多阶段（水解、产酸和产甲烷）的代谢强化，并在半连续AD反应器中评估了它们的性能。本研究的目标是：（1）评估SynComs驱动的确定性演替如何重塑群落结构并调节微生物相互作用网络；（2）阐明群落组装主要是由核心分类单元还是富集微生物介导的；（3）确定性能提升是由引入的SynComs的直接代谢活动还是由微环境变化引发的群落级协同效应驱动的。本研究为SynComs的生态影响提供了理论框架和新的见解，推动了AD技术的可持续发展。

部分内容

原料和厌氧消化液（ADL）接种物

作为原料的水解产物是从北京市海淀区一家食品废物处理厂的水解反应器中收集的。食品废物首先经过粗分离、制浆和去砂处理，然后在60℃下脱油，随后在40℃下进行2-3天的水解。所得到的部分水解原料含有残留的大分子有机物和短链VFAs，并在4℃下储存直至使用。ADL接种物来自一个全规模的嗜温湿式AD反应器

SynCom缓解了丙酸抑制并提高了甲烷产量

甲烷产量被作为AD反应器性能的主要指标进行监测。J组和YSJ组的日甲烷产量显著高于未进行生物强化的CK组（P < 0.001），在整个水力保留时间内的平均值分别为328.81 ± 42.60、356.12 ± 45.31和403.73 ± 61.76 NmL g⁻¹ VS d^-1（图1a）。值得注意的是，YSJ组在前两天内甲烷产量急剧增加，达到了累积产量

多阶段代谢生物强化策略最大化甲烷产量的机制

本研究证明，多阶段SynCom-YSJ的表现优于单阶段SynCom-J，甲烷产量提高了2.6倍（22% vs 8%）。高效的AD依赖于水解、产酸和产甲烷之间的协调相互作用；因此，这种性能提升突显了将这些过程整合到一个设计好的联合体中的关键优势。值得注意的是，这种性能提升并不仅仅归因于引入菌株的附加底物转化

结论

本研究证明，采用SynCom-YSJ的多阶段代谢生物强化策略，通过协调水解、产酸和产甲烷功能，显著优于传统的单阶段（仅产甲烷菌）方法。SynCom-YSJ的甲烷产量提高了22%（比SynCom-J高2.6倍），几乎消除了启动延迟阶段，并有效缓解了丙酸抑制。SynCom的定殖重塑了厌氧微环境

CRediT作者贡献声明

Miaomiao An：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据管理。Jiarui Yu：可视化。Xianghao Lin：软件。Yanjuan Lu：资源、研究。Xiaoxu Li：资源、研究。Jinling He：方法论。Guozhu Zhao：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了大学-行业合作教育计划（202102083002, 250100474145144/2025HXKF-013）的财政支持。