生物处理是面前收场存机固废资源化、动力化、减量化和无害化的迫切妙技。厌氧消化(Anaerobic digestion) 更是其中的决策热门，已被平常用于多种有机固废的消减和资源化，如市政污泥、餐厨垃圾、园林和农业烧毁物、畜禽粪便等[1-2]。厌氧消化系统的宏不雅调控较易收场动漫 在线，平常是在罢职微生物组代谢规章的前提下，优化工艺条款以收场特定产物的富集和动力物资的回收[3-5]。然则，以微生物代谢为主体的微不雅经过却难以收场定向调控。根柢原因是有机固废身分的复杂性、环境影响因素的多变性以及它们与菌群交互作用的种种性，收尾了对有机固废厌氧消化经过的深远成见。比年来化学分析技艺(举例高分辨质谱的应用)、微生物检测技艺(举例多组学技艺的应用) 以及生物信息技艺(举例模子的构建) 的快速发展[6-7]，创举了微生物组决策的新标的[8-9]，也为更全面地解析有机固废厌氧消化的微不雅机制提供了新的机会。
1 厌氧消化系统中的微生物以及典型菌群的互作关系厌氧消化的工程调控依然处于“黑箱”操作，跟着组学技艺的发展，对厌氧消化系统干系微生物分类和功能的毅力愈加深远，且对其参与的不同阶段的毅力也在与时俱进[10-12]。厌氧消化的不同阶段(水解、产酸、产乙酸和产甲烷) 是基于物资流修复的，传统不雅念以为厌氧消化经过每个阶段的微生物类群具有专一性，然则最新宏基因组学字据标明，微生物类群演替在悉数厌氧消化经过具有聚首性、无较着的途径性变化，举例跟着驱动底物的变化沿着物资流传递到悉数厌氧消化经逾期，包括产甲烷菌在内的菌群均会发生演替[13]。参与不同物资滚动的微生物被称为相应的功能菌，这种功能菌群的界定是基于微生物的代谢功能而非系统发育信号，是以合并类微生物可能在厌氧消化经过中清楚多重作用。
1.1 参与厌氧消化的微生物类群微生物行动种种物资滚动的主要承担者在悉数厌氧消化经过中清楚了弗成替代的作用。事实上，厌氧消化系统中好像明确封锁谱系的微生物至极有限，跨越90%的微生物无法在属或种的水平进行分类[14]。厌氧消化经过中已知的细菌主要属于厚壁菌门Firmicutes、拟杆菌门Bacteroidetes、变形菌门Proteobacteria[14-15]，承担着将复杂有机大分子滚动为粗浅有机物以及CO2、H2等气体身分的一系列任务。比较细菌的高谱系种种性，厌氧消化工程系统中的古菌较为单一，开头于广古菌门Euryarchaeota的产甲烷菌[6， 12]。天然最新的宏基因组学字据标明深古菌Bathyarchaeota[16]和佛斯特拉古菌Verstraetearchaeota[17-18]等也具有甲烷代谢功能，从而将产甲烷菌谱系扩张到Euryarchaeota以外[19]，但面前莫得任何非Euryarchaeota的产甲烷菌在厌氧消化系统中被发现。除了细菌和古菌，真菌相同是厌氧消化系统中的迫切微生物，参与固体物资的理会和有机大分子的降解与滚动经过，然则很少有报谈关切真菌在悉数系统中的功能和运道[3， 20-21]。正常运行的厌氧消化系统，种种微生物的物种数可能高达上千个[22]，这些微生物平常具有高度的功能冗余从而增强了系统应回报杂环境和拒抗环境扰动的智商[23-24]。Yu等以为当功能冗余和群落种种性裁减时，菌群间互作收罗粗浅化，系统可能会崩溃[23]。
1.2 厌氧消化系统中典型菌群的互作关系厌氧消化系统中不同菌群在代谢功能上是互相依存的，在保管系统帅会的同期，罢职着物料守恒和能量守恒规章[25]。互干系联的复杂酶系为厌氧消化系统中菌群奉行互补或可替代的代谢行动提供了维持[26]。通过封锁编码关键酶基因的存在和抒发是解析系统代谢旅途息争构互营关系的迫切行径。比喻Hao等谄谀宏基因组和宏转录组，瞻望了互营脂肪酸氧化菌互营代谢途径并说明了不同环境下代谢功能存在接收性抒发[27]。Zhu等根据参与Wood-Ljungdahl途径和甘氨酸裂解途径关键基因的抒发相反，重构了发酵细菌以甘氨酸裂解替代乙酸代谢并耦合氢养分产甲烷的互营模子[24]。厌氧消化前段的发酵细菌与后段的产甲烷菌通过产物交叉喂养组成互营关系，缓解了产物蕴蓄变成的压力，并使悉数响应在热力学上是有益的。一方面发酵细菌产生的乙酸、H2、CO2、甲基化合物为产甲烷菌提供底物，同期这些细菌的代谢行动奢华了氧、硝酸盐、Fe(Ⅲ) 等氧化性物资，为产甲烷创造符合的氧化还原条款；另一方面产甲烷菌通过奢华乙酸、H2和CO2，为脂肪酸的氧化拔除了产物的阻挠作用，提供了能量，同期保管了体系的pH清爽[19]。这种互营依赖于细胞间的电子传递，分为依靠H2、甲酸等小分子进行的种间电子传递(Interspecies electron transfer，IET) 和依靠细胞上的微生物纳米导线或多血红素细胞色素的凯旋电子传递(Direct interspecies electron transfer，DIET)[28-29]。一直以来，IET被以为是互营菌的主要电子传递花样[30]，而Rotaru等说明了DIET在厌氧消化工程系统中的存在，并建议DIET可能在群众产甲烷经过中起迫切作用[31]。最新决策自满，电子传递和能量得到政策是构建互营关系的关键决定因素[25]。
厌氧消化各阶段产物集聚于胞外空间形成一个分享的物资池。除了互营，不同菌群对物资的竞争也平常存在于悉数厌氧消化系统中。举例，互营乙酸氧化菌(Syntrophic acetate oxidation bacteria，SAOB) 和乙酸养分型产甲烷菌组成了对乙酸的竞争，而氢养分产甲烷菌和同型产乙酸菌均以H2和CO2为底物[32]。同型产乙酸菌/乙酸养分产甲烷菌以及互营乙酸氧化菌/氢养分产甲烷菌辞别通过产物交叉喂养成为互营伙伴，并由于雷同的互营代谢作用而产生生态位的竞争[33] (主要代谢途径见图 1)。微生物的生态位竞争受到其环境适应性的影响，而悉数互营代谢的存在时常受限于互营伙伴中更为脆弱的一方。决策标明，互营乙酸氧化(图 1C) 行动Wood-Ljungdahl途径产乙酸(图 1B) 的逆响应在热力学上极为不利，是以SAOB在与乙酸养分型产甲烷菌的竞争中常处于劣势，从而变成悉数互营代谢处于不利地位[3， 34]。但温度升高时，乙酸氧化的热力学壁垒会相对裁减，从而莳植SAOB的竞争智商[3， 35]。此外，比较于发酵细菌，产甲烷古菌一般冗余度较低，具有更低的生态位宽度，更容易受到恶劣条款的影响，进而影响到互营伙伴的代谢乃至危及悉数系统的稳态。尤其是乙酸养分型产甲烷菌，比较其他两种类型的产甲烷菌其生态位更窄[36-38]，在顶点环境如高游离氨、低pH和高盐条款下难以有用存活，变成的生态空位会由耐受性更好的互营乙酸氧化菌/氢养分产甲烷菌填补[36-38]。
分享物资池中的某些物资在细胞间频频行动产物和底物传递，如甲酸、酒精、CO2、H2等，其浓度会凯旋影响到相应代谢响应的均衡，从而对菌群演替施加接收压力，其中H2的作用尤为权臣[25， 39]。厌氧消化经过中存在好像应答高H2浓度的H2耐受型代谢和在极低H2浓度下就会受到阻挠的H2明锐型代谢。葡萄糖降解行动H2耐受型代谢可耐受1 020 Pa的H2分压，而丁酸降解行动H2明锐型代谢仅耐受2.8 Pa[37]。H2明锐型代谢会受到由其他响应生成的H2的阻挠，因此厌氧消化系统需要通过耦合奢华H2的互营代谢花样裁减H2的蕴蓄。而H2的浓度裁减不利于细胞间的电子传递，系统需要采用其他途径转移并治理电子，如通过甲酸、细胞色素和纳米导线进行电子传递以及耦合低浓度的氧气代谢行动接济的电子汇[37]。因此，互营关系的构建以及不同代谢花样对于物资流的竞争受到响应热力学条款的调控，从而使悉数系统收场对物资和能量的“节省”和“系统最优”[24， 36， 40]。
恰是由于厌氧消化系统中存在私有的物资-环境-微生物互作关系，前东谈主决策未能在该类系统中发现浩荡存在的“中枢功能菌”[14]。因此，深远解析菌群间的互作关系以及菌群-物资的代谢耦合关系，有助于发现优化构效关系的关键环境因子及微生物类群，对于生物滚动定向调控政策的制定及滚动着力的提高至关迫切。
2 典型有机固废厌氧消化存在的问题以及微生物在其中清楚的作用有机固废同期具备沾污属性和资源属性，其组成复杂，富含多糖、卵白质、脂质等大分子身分，不错滚动生成生物沼气、脂肪酸、羟基酸、氨基酸、醇类、植死一火合物等多种产物[42-44]。丰富的有机身分为微生物提供了种种化的代谢底物和物资环境，相应的微生物群落结构和种种性与特定基质的组成也阐扬出高度干系[14]。举例有报谈称，纤维素的降解和梭菌属解纤维梭菌Clostridium cellulolyticum的水平呈正干系[45]，脂类的降解和互营单胞菌属Syntrophomonas水平呈正干系[46]，梭菌纲Clostridia和软壁菌门Tenericutes特异性地出面前粪便的厌氧消化池[47]，高卵白的食品废料容易变成氨氮的无数蕴蓄，使SAOB在生态位上占上风[3， 48]。同期某些身分或中间产物也可能对部分微生物有恫吓或者残害作用[3， 49]。底下针对3种典型有机固废厌氧消化经过中存在的问题及微生物的作用进行简述。
2.1 市政污泥市政污泥是市政浑水处理的副产物，具有含水率高、有机质含量低、产量大、水解难度大等特色。剩余活性污泥中包含无数的微生物细胞，其中约80%是活细胞[7]。实质运行经过中有机物和微生物细胞形成清爽的絮状污泥收尾了有机身分的开释，而无数存在的腐殖质也难以被生物诈欺[7]。因此，toupaizipai常采用预处理妙技来提高有机质的可生化性[50-51]。Liu等[52]通过滚水解提高了污泥的厌氧消化降解智商，发现Firmicutes和Bacteroidetes等发酵细菌品貌权臣增多，而产甲烷菌组成变化不大，这可能是由于产甲烷菌以细菌代谢的中间产物为养分源而不受水解经过驱动底物的影响[53]。除了预处理，向消化池投加酶和化学试剂也不错通过生物和化学效应改善水解条款[54-56]。外源酶的投加凯旋裁减了系统水解菌群的产酶需求，东谈主为取销了水解阶段对悉数厌氧消化经过的速率收尾[54-55]。化学试剂CaO2的投加不错提供羟基摆脱基从而有用去除难降解的有机沾秽物，并在生物效应上阐扬为水解和产酸酶系的活性相对提高[57]。最新的决策发现，市政污泥厌氧消化中CaO2的投加好像富集10余种脂肪酸生物合成的关键基因并促进溶菌酶的作用和多种单糖的代谢[58]。
市政污泥中存在的无数活细胞是病原微生物和抗生素抗性基因握续输入的开头[59-60]。温度被以为是影响厌氧消化对病原体和抗性基因去除智商的迫切因素，通过鼎新养分物资和温度，接收性地恶化方针微生物的生涯环境，好像在厌氧消化系统中收场对它们的有用去除[60-61]。对不同温度厌氧消化系统的宏基因组分析标明，高温(55 ℃) 好像有用裁减抗生素外排泵编码基因的品貌。此外，菌群种种性的裁减不错消减抗性基因的宿主以及潜在宿主，从而阻挠了抗性基因的垂直转移；同期，菌群代谢速率的权臣提高则不错加快招架性基因水平转移载体的降解[62]。除了风险微生物，市政污泥富集了来自浑水处理厂的种种沾秽物，针对刻下大地春回的新兴沾秽物，微生物作用不错有用削减某些沾秽物的数目和毒性[63-64]。同期这些新兴沾秽物也可能携带微生物产生新的特异性代谢机制，需要握续赐与关切[63-64]。
2.2 餐厨垃圾餐厨垃圾是餐饮垃圾和厨余垃圾的总称，具有高油、高盐、高含水率、高有机含量等特色[65-66]。在餐厨垃圾厌氧消化经过中无数有机身分时常能高效水解、酸化滚动为脂肪酸，但大部分脂肪酸的进一步滚动属于H2明锐型代谢而速率不高，滚动速率的雄壮相反容易变成酸的蕴蓄(尤其是丙酸)[39]，进而导致体系pH裁减，变成产甲烷菌活性裁减，因为大部分产甲烷菌在pH < 6.7时就已罢手代谢[12]。Sun等发现当pH低至5.1，简直90%的乙酸养分和氢养分的产甲烷菌在6 d内就会从培养物中销毁[67]。尽管脂肪酸相同不错行动系统产出的家具，由于过低pH不利于有机酸的解离，握续的酸化会对微生物变成浩荡的危害最终相同会影响蒸发性脂肪酸(Volatile fatty acids，VFAs)的产生，导致悉数体系的崩溃[68]。工程上从宏不雅效应的角度动身，通过投加碱性物资的花样来鼎新体系pH，从而保证体系性能和产出着力[69]。然则，为了更有用地调控有机固废的生物滚动经过，需要从微不雅机制如电子传递经过进行精确调控。决策标明，通过成立和强化凯旋电子传递不错提高VFAs诈欺速率和甲烷产率[70-71]。面前调控电子传递主要有两种途径：电子传递源适度和电子传递经过适度[28， 71]。电子传递源适度是以酒精为产乙酸的前体，这在热力学上更为有益，况兼已说明伴跟着酒精的氧化，厌氧消化菌群成立了DIET来促进甲烷的生成[29， 31]。现存决策中，Li等[71]和Gao等[72]辞别通过酒精型预发酵和原位投加酵母菌收场了以酒精为电子传递源的DIET强化。电子传递经过适度一般是通过投加诸如颗粒活性炭、生物炭、纳米零价铁或铁氧化物等导电材料强化产甲烷菌和其他细菌间的电子和能量传递[28]。Lim等发现添加生物炭后，体系富集了梭状芽胞杆菌属Clostridia等电活性微生物，促进了脂肪酸的降解和乙酸养分型产甲烷经过，最终使得甲烷产率莳植了18%[73]。Dang等相同说明了碳布和颗粒活性炭促进了体系电子传递从而增多了微生物降解复杂有机质的智商[70]。此外，通过施加电压也不错加快系统中的电子传递，举例微生物电解池(MEC) 的应用不错权臣促进厌氧消化着力[74]。
餐厨垃圾常伴跟着高油脂，而高浓度的油脂会收尾底物和产物的运输，进而影响到乙酸降解菌和产甲烷菌的活性[75]。传统行径通过油脂分离的花样幸免其干涉。事实上，厌氧消化微生物群具备一定进程上拒抗油脂阻挠作用的后劲。Amha等发现天然油脂的添加在初期变成了餐厨垃圾厌氧消化的代谢滞后和VFAs的蕴蓄，但跟着时候推移微生物群不错通过种间互相作用，转向更有益的代谢途径从而归附体系功能[76]。此外，决策发现永恒的生物驯化好像富集Firmicutes、Bacteroidetes、互养菌门Synergistetes和Euryarchaeota等微生物，从而使厌氧消化系统具备快速降解长链脂肪酸的智商[77]。天然将微生物安定流露于不利环境下不错使群落里面发生适应性变化[78]，但微生物耐受这种顶点环境恫吓的分子机制尚不解确。
2.3 农业烧毁物农业坐褥中主要会产生畜禽粪便和以秸秆为代表的植物纤维这两类有机固废。粪便和植物纤维辞别是低碳氮比(C/N) 和高C/N的典型案例。C/N是臆想厌氧消化底物养分均衡的迫切参数，厌氧消化经过中微生物奢华碳的速率是氮的25–30倍，为收场碳的最大转机着力，体系碳氮比需达到20︰1–30︰1的要求[12]。高含氮底物厌氧消化中跟着游离氨的蕴蓄会权臣阻挠微生物代谢。Bi等单独以鸡粪为底物进行厌氧消化时，高浓度的氨态氮阻挠乙酸滚动和产甲烷经过，与去除氨的处理比较，甲烷产率低约30%[79]。而Zhang等发现秸秆的添加有用缓解了体系的氨阻挠[80]。这是因为将富氮(如粪便) 和富碳(如植物纤维废料) 的固体烧毁物进行共消化恰巧均衡了两个体系对养分源组分的需求，同期拔除了阻挠效应。此外，多个开头的有机固废的共消化不错增多微生物代谢的种种性[14]。Liu等发现单独以玉米秸秆为底物的厌氧消化经过中物种总丰富度较低，古菌种种性不足[81]。而Oladejo等决策标明，粪便的添加为厌氧消化提供了优质的产甲烷菌物种库，夹杂基质能滋补高丰富度和种种性的微生物组，从而权臣提高系统的清爽性和产出着力[82]。共消化以一种极其方便的花样收场了对物资环境和微生物群落结构的鼎新，使它们相互契合进行有机固废的高效资源化滚动[83]。
物资环境和微生物群落不相适应是厌氧消化系统出现问题的浩荡原因，每个厌氧消化系统私有的环境-微生物互作关系导致了不同决策中可能出现毫不相易的论断[84-85]，但在相似的系统中细目存在着“中枢功能菌”以及相同的微生物群落构建机制[14]，这么的特征使得基于大数据建模来调控厌氧消化经过成为可能。面前也曾好像在宏不雅上通过校正物资环境(如预滚水解) 和强化微生物功能(如投加导电材料强化细胞间电子传递)来莳植厌氧消化系统性能，而更精良的定向调控需要依靠解析复杂体系中微生物组代谢机制，这无疑对分析检测行径建议了更高的要求，干系决策依然任重谈远。
3 组学技艺鼓舞下有机固废微生物组决策发展标的面前大部分对于厌氧消化的决策也曾由单纯的系统性能决策转为同期关切与系统性能密切干系的微生物机制[41， 86-88]。自上世纪末以来，组学技艺郁勃发展并安定应用到厌氧消化微生物组的决策中(图 2)，尤其是高通量测序(指扩增子测序)的应用极地面丰富了厌氧消化菌群的生物种种性[6， 89]。但扩增子测序存在一些弗成幸免的颓势，举例引物袒护度不足等因素变成遗传信息的缺失或偏差，不具备单独用于识别新物种的智商等[6]。宏基因组的应用会克服这些颓势，尽管2008年就有决策者对厌氧消化菌群进行了鸟枪宏基因组测序，但由于分析门槛较高，价钱相对直快，是以宏基因组的应用远不足扩增子测序[21， 90-91]。通过宏卵白组和宏转录组好像获多礼系中具有代谢活性的微生物的转录本抒发情况和卵白分子组成情况，评估刻下环境下微生物的基因抒发情况和菌群的代谢后劲[92-93]。代谢组的应用通过凯旋检测小分子代谢产物的行径，不错识别关键代谢途径的信息细节，进一步推断微生物组潜在的代谢机制[92]。一些新兴的技艺如单细胞测序技艺[94]、基于单细胞分离的细胞内交融基因技艺[59] (epicPCR) 在厌氧消化系统中还未见有应用。多组学技艺的联用为进一步揭示物种代谢智商和趋向提供了新的标的[95]，如通过培养组学和现存组学技艺的谄谀来解密厌氧消化体系中无数的未培养微生物、通过高分辨质谱技艺与组学技艺的谄谀揭示菌群-物资的匹配与互作。
国产色情菌群-物资的代谢偶联是解析有机固废生物滚动体系中微生物学机制的中枢任务，可为沾秽物的定向滚动提供迫切的科学依据。由于厌氧消化系统中物资种类郁勃、物种种种性高，变成了代谢产物与物种相匹配的繁难，生态收罗分析[103]等信息学行径的引入为无数有机分子与微生物相匹配带来了新的机会。基于大数据分析构建分子生态收罗，一方面不错揭示高度复杂微生物群落中的关键物种以及有机物之间、菌群之间、有机物和菌群的互作关系动漫 在线，另一方面通过引入更为详备的体系运行参数和环境参数，不错成立细目性因素主导下的环境-菌群互作模式。此外，面前有机固废厌氧消化的微生物组决策还处于发展阶段，还莫得一个好像围聚群众厌氧消化微生物组决策着力的数据库[22]。已有的数据踱步在不同的数据存储机构，缺少妥协的存储合同和对厌氧消化微生物组信息专项的不断，亟需成立一个群众性的厌氧消化微生物组数据集和相应的数据库。要而论之，深远决策厌氧消化经过中的微生物组将为莳植系统的清爽性、增多动力回奏着力提供有用的表面维持和科学依据，是面向将来有机固废减量化、无害化和资源化的必由之路。