城市污水源耐高温微生物富集糖发酵和烷烃氧化途径实现煤生物制氢

低阶煤直燃的热值和锅炉效率低、能源和维护成本高，还会排放大量的有害气体，经济可行性低。煤本质上是由远古植物形成的。由于木质纤维残余物的层状结构，低阶煤允许微生物附着在其表面，并为微生物的生长和活动提供营养基础。

厌氧消化（AD）是一种成熟的技术，是指在无氧条件下，由兼性菌和厌氧细菌将可生物降解的有机物分解为 CH₄、CO₂、H₂O 和 H₂S 的消化技术。若所涉及的厌氧细菌和真核生物协同合作，还可进一步将分解物转化为多种高价值化学品，如丁酸、丙酸、氢气和甲烷。

煤生物制氢过程是将厌氧微生物放置在煤间的孔隙，它们产生酶，将酶排泄到煤结构的孔隙空间中，进一步反应产生氢气。该技术具有能耗低、转化条件温和、环境友好等优点。

要实现煤厌氧消化高效制氢，接种物的选择至关重要。城市废水含有丰富的微生物资源，具有较高的降解性和较宽的温度耐受范围。目前，关于城市废水作为煤厌氧制氢接种物的研究有限。

（来源：Chemical Engineering Journal）

近日，西北农林科技大学姚义清团队在Chemical Engineering Journal上发表了题为“H₂ production from coal by enriching sugar fermentation and alkane oxidation with hyperthermophilic resistance microbes in municipal wastewater”的研究论文，这项研究利用城市废水通过厌氧消化驱动低阶煤生产氢气，研究了 35、55 和 65℃ 对产氢的影响，然后采用一步（65℃）和梯度策略（从 35 到 65℃）建立超嗜热群落，进行了工艺性能、中间产物、煤表面官能团、微生物群落特征和潜在的产氢途径的分析。

▲图丨图形概要（来源：Chemical Engineering Journal）

城市污水处理系统的消化污泥含有丰富的产氢微生物，如梭状芽胞杆菌、肠杆菌和热厌氧杆菌等，它们对温度的耐受性不同。据观察，梭状芽胞杆菌的最适生长温度为 11–53℃，肠杆菌的最适生长温度为 30–40℃，高温厌氧杆菌的最适生长温度则为 65-75℃。

值得注意的是，消化污泥中现有的氢营养产甲烷菌可以消耗氢电子供体，从而拦截氢气的形成。消化污泥中硫酸盐还原菌产生的硫酸氢盐可以穿透产氢菌（HPB）的细胞膜，导致严重的抑制作用。因此，为了实现高效的产氢过程，必须永久灭活氢营养型产甲烷菌和硫酸盐还原菌。

一般采用不同的处理方法，包括热处理、微波、超声波、化学处理（酸、碱、有机溶剂）和组合处理。其中，热处理是丰富 HPB 种群的最简单方法。据报道，与中温温度（30-40℃）相比，高温温度（50-55℃）可促进细胞外酶的活性，提高有机物的溶解度，加速生物和化学反应，并杀死大多数病原体。

为了验证通过温度策略定向调节 HPB 来高效煤制氢的可行性，研究人员在 35、55 和 65℃ 的不同温度下驱动煤制氢，结果表明，65℃ 时的总产氢量（1.02 mL/g TS）分别是 35℃ 和 55℃ 时的 34 和 51 倍。

通过对代谢物进行比较代谢组学分析发现，65℃ 组中烷烃及其衍生物的浓度较高。进一步分析代谢物分布及其代谢途径，结果表明，乙酸的积累和较高的氢气产量之间存在良好的相关性，65℃ 可以增强 16-甲基十七烷和环氧乙烷，以及减少 L-亮氨酸、N-甘氨酰和 2-异丙氧基乙胺的积累，从而有助于提高氢气产量。

为了更好地理解不同温度下煤厌氧消化制氢的机理，研究人员通过 ATR-FTIR 技术识别煤表面官能团的特征，结果显示，与其他组相比，65℃ 组表现出更高的降解煤中的 C-H 键、芳环结构和含氧官能团的能力，导致更多的烷烃和衍生物在液相中释放，从而有助于提高氢气产量。

在不同温度下，优势细菌也有所变化，在 35℃ 和 55℃ 下优势细菌是产乳酸和产氢细菌芽孢杆菌，在 65℃ 下则变为产氢细菌热厌氧杆菌。

为了进一步揭示不同温度条件下氢气发酵的机理，对 16S rRNA 基因测序获得的功能预测进行了分析。结果表明，在低阶煤制氢过程中，约 20% 的微生物群落功能是未知的。这些未知的微生物可能是提高降解和制氢效率的关键限制。

微生物群落结果表明，高温（65℃）使嗜热产氢细菌热厌氧杆菌富集，并有效抑制竞争性产乳酸细菌芽孢杆菌，从而导致产氢量显著增强。热厌氧杆菌在微生物相互作用和代谢产物方面处于领先地位；富集的种群和优势活动是在 65℃ 下实现高效产氢的关键因素。

对 KEGG 代谢通路分析发现，65℃ 组中高丰度的β-葡萄糖苷酶能够增强低阶煤中纤维素结构的降解并促进单体释放。因此，65℃ 组中的高甘油醛-3-磷酸脱氢酶活性增强了细胞稳定性和膜运输，从而导致更高的总产氢量。65℃ 组中另一个重要的酶是烷烃单加氧酶，它可以在烷烃降解途径中将烷烃转化为相应的烷醇。烷醇进一步氧化为脂肪酸，可以为微生物分解代谢提供必要的能量，并间接促进氢气的产生。因此，65℃ 组乳酸脱氢酶的低活性有利于产氢。

此外，乙醇脱氢酶在厌氧条件下糖酵解反应的最后一步将乙醛转化为乙醇，并伴随 ATP 的产生。65℃ 组乙醇脱氢酶活性低，无法产生大量乙醇来损伤细菌细胞。

两种常见的从嗜温或嗜热接种物建立超嗜热微生物群落的启动策略是一步策略和梯度策略。一步策略节省了适应时间，但梯度策略为微生物适应新环境提供了一个过渡期。

为了分析一步法和梯度策略下煤的产氢性能，以及微生物群落多样性、组成和功能的响应机制。该研究还进行了基于驯化概念的 35 至 65℃ 的梯度温度栽培（梯度增加温度，GIT）。结果表明，与 65℃ 组相比，GIT 组的产氢量显著降低（0.14 mL/g TS）。研究人员据此推测，一步法比梯度法对 HPB 有更好的选择，对耗氢微生物有更强的抑制作用。

分析其中原因，65℃ 组和 GIT 组的细菌群落的组成和变化显示，65℃ 组中，两种优势菌是假单胞菌和热厌氧杆菌；在 GIT 组中，则是热厌氧杆菌和芽孢杆菌。

与一般能承受高温（65-75℃）的热厌氧杆菌不同，芽孢杆菌的耐热性较低（37-65℃）。因此，65℃ 的一步升温法可能会导致芽孢杆菌失活，而梯度法则可以让芽孢杆菌在高温下有足够的时间适应和生长。然而，芽孢杆菌产生的累积乳酸会抑制热厌氧杆菌和其他 HPB 的活性，导致总产氢量低于 65℃ 组。

基于上述分析，提出了低阶煤厌氧消化产氢途径。

一方面，煤中存在的纤维素和半纤维素，即葡萄糖和木糖，分别通过芽孢杆菌和热厌氧杆菌分泌的 β-d-葡萄糖苷酶和 β-1,4-木聚糖酶的作用转化为可发酵糖。然后，可发酵糖在芽孢杆菌、热厌氧杆菌和梭状芽胞杆菌的作用下转化为不同的 VFA，如乙酸、丙酸和丁酸。较高浓度的乙酸和丁酸以及较低浓度的丙酸通常与较高的氢气产量相关。因此，在本研究中，65℃ 组中乙酸和丁酸的浓度较高，表明其总产氢量高于 35℃、55℃ 和 GIT 组。

另一方面，煤中的木质素可以通过假单胞菌分泌的漆酶的作用产生羟基化烷烃。随后，烷烃末端被假单胞菌分泌的羟化酶氧化成醛，最终导致 VFA 的产生。

总之，糖发酵和烷烃氧化的产氢代谢途径在 65℃ 下得到有效富集，这解释了 65℃ 组产氢量较高。

综上所述，该研究首次揭示了低阶煤基质中混合糖发酵和烷烃氧化制氢的潜在混合途径，展示了低阶煤利用的先进潜力。

然而，这项研究在提高煤制氢以满足工业化生产的要求方面仍面临挑战。就未来的研究方向而言，本研究将通过底物预处理（如白腐真菌预处理）和接种物驯化（多重富集培养）两种途径进一步提高产氢能力。同时，利用宏转录组学、DNA 稳定同位素探测、超高效液相色谱等多种技术，研究煤制氢微生物的细节以及核心微生物响应温度变化的分子机制。

素材来源官方媒体/网络新闻

免责声明：本文旨在传递合成生物学最新讯息，不代表平台立场，不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准。本文也不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。