一种新型的菌丝体颗粒-生物炭复合载体，旨在增强丙酸胁迫条件下产甲烷微生物群落的代谢和生理活性

《Bioresource Technology》：A novel mycelial pellet-biochar composite carrier designed for enhancing metabolic and physiological activity of methanogenic microbial consortium under propionate stress

本研究开发真菌菌丝球-生物炭复合载体，有效提升丙酸胁迫下甲烷合成菌群代谢活性和生理活性，机制涉及多途径协同调控及胞外聚合物富集，较单一载体甲烷产量提高17.55%-9.34%。

　　

陈乐|梁新怡|严淼|穆罕默德·纳比|张家林|郑涛|邢涛|李颖|孙永明

中国科学院广州能源转换研究所生物质生化转化实验室，中国广州510640

摘要

丙酸的积累及其引起的高渗透压通常会抑制产甲烷微生物群落的代谢和生理活性。为了提高厌氧消化性能而设计的微生物固定化技术受到了广泛关注。基于生物炭和菌丝颗粒等固定化载体能够有效促进微生物代谢和生理活性的研究发现，本研究开发了一种菌丝颗粒-生物炭复合载体，并探讨了其在丙酸胁迫下对产甲烷微生物群落代谢过程和生理功能的影响。结果表明，这种复合载体具有更丰富的孔隙结构、接近零的ζ电位以及更多的细胞外聚合物物质，为微生物提供了有利的生活环境。性能分析显示，与生物炭和菌丝颗粒相比，该复合载体使甲烷产量分别提高了17.55%和9.34%。组学分析表明，与主要促进MMC途径和歧化途径的生物炭和菌丝颗粒相比，复合载体协同促进了甲基丙二酰辅酶A（MMC）途径和产氢型甲烷生成的歧化途径。此外，菌丝颗粒-生物炭载体还促进了渗透调节、群体感应、蛋白质合成与修复以及ATP的生成，增强了微生物的适应性，维持了细胞内酶的生物活性，并为微生物的生长和代谢提供了更多能量。这种增强的生理活性为代谢功能的实现提供了重要保障。本研究表明，菌丝颗粒-生物炭复合载体是提高丙酸胁迫下产甲烷微生物群落代谢和生理活性的理想生物载体，为在胁迫环境中实现高效甲烷回收提供了新策略。

引言

基于化石燃料精炼的传统经济发展模式面临两大挑战：资源短缺和环境污染（Konyannik和Lavie，2025）。推动从化石燃料能源系统向可再生能源系统的转变已成为全球共识。厌氧消化可以将有机废物转化为可再生的生物能源（CH₄），对优化能源结构、减少温室气体排放和保护环境具有积极意义（Bień等人，2025；Zhao等人，2024b）。随着全球对可再生能源需求的增加，提高厌氧消化效率已成为研究重点（Chen等人，2025a）。

挥发性脂肪酸（VFAs）是厌氧消化系统中的主要中间产物（Yan等人，2023）。VFAs在共生氧化细菌和产甲烷菌的作用下可以转化为CH₄和CO₂（Yan等人，2023）。因此，微生物的生长和代谢活性在很大程度上决定了厌氧消化效率。在稳定的厌氧消化系统中，酸的产生速率和甲烷的产生速率通常处于动态平衡状态。然而，许多实际运行中的厌氧工厂由于温度、有机负荷率和操作参数的变化，经常导致VFAs积累和pH值下降，从而破坏代谢平衡（Chen等人，2025a；Kim等人，2025；Shao等人，2025）。在各种VFAs中，丙酸的降解尤为重要，因为其共生氧化反应在热力学上非常不利（Kim等人，2025）。此外，丙酸的积累会对细胞造成渗透压应力，导致脱水、膜系统损伤和代谢紊乱，影响微生物细胞的生理活性（Shimada等人，2007；Yan等人，2023）。因此，在丙酸胁迫下提高产甲烷微生物群落的代谢和生理活性至关重要。

微生物固定化技术是指将微生物限制在特定空间区域内，以增加微生物密度并保持其高生物活性（Chen等人，2025b；Hou等人，2024）。固定化载体是微生物固定化技术的核心，为微生物的附着和繁殖提供支架结构。生物炭作为一种由生物质热解得到的多孔材料，具有较大的比表面积和高孔隙率（He等人，2022）。生物炭的多孔结构为微生物的吸附和繁殖提供了固定位点（Schommer等人，2024）。此外，生物炭的缓冲能力和电子传递能力对于在胁迫环境下提高厌氧消化性能至关重要（Chen等人，2023a；Kumar等人，2021）。鉴于生物炭的这些优势，它被广泛用作固定化载体，以增强产甲烷微生物群落的代谢活性。

丝状真菌能够通过菌丝的自组装形成具有独特三维网络结构的菌丝颗粒，为微生物定殖提供了受限的空间（Chu等人，2021；Cui等人，2022）。菌丝颗粒具有较高的比表面积，并且在胁迫环境中表现出显著的生物适应性和生物相容性（Chen等人，2025b；Min等人，2023；Wang等人，2025b），被认为是多种微生物的理想载体，如酵母菌（Li等人，2022）、反硝化细菌（Zheng等人，2021）、暗发酵细菌（Zhao等人，2017）、微藻（Roy和Mohanty，2019）以及其他污染物降解微生物（Espinosa-Ortiz等人，2016）。因此，使用菌丝颗粒作为产甲烷微生物群落的载体可能在它们暴露于丙酸胁迫时提高其生理活性。然而，目前尚未有针对这一特定应用的研究发表。基于上述分析，我们假设通过将生物炭原位嵌入菌丝颗粒中制备菌丝颗粒-生物炭复合载体，可以结合生物炭和菌丝颗粒各自的优点，从而在丙酸胁迫下增强产甲烷微生物群落的代谢和生理活性。

为了验证上述假设，本研究开发了一种用于微生物固定的菌丝颗粒-生物炭复合载体，并通过分析载体的物理化学性质明确了其优势。探讨并比较了生物炭载体、菌丝颗粒载体和菌丝颗粒-生物炭复合载体在丙酸胁迫下对产甲烷微生物群落性能的影响。从宏基因组分析的角度，揭示了产甲烷微生物群落对载体的代谢和生理反应的内部驱动机制。本研究为开发在胁迫环境下具有巨大潜力的生物载体提供了设计指导和理论基础。

菌丝颗粒-生物炭复合载体的制备

Aspergillus tubingensis（BNCC190278）从Beina Biotechnology Co., Ltd购买，并在含有200?g/L马铃薯（去皮）、20?g/L葡萄糖和14?g/L琼脂的土豆葡萄糖琼脂（PDA）培养基中活化。PDA培养基在30℃恒温培养箱中培养，直到Aspergillus tubingensis产生孢子。使用无菌水制备了浓度为1?×?10⁶孢子/mL的孢子悬浮液，并将其接种到

固定化载体的性质

对菌丝颗粒和菌丝颗粒-生物炭复合载体的表面形态、ζ电位、表面官能团和EPS进行了比较分析。图1A显示了固定化载体的实物图像和SEM图像。菌丝颗粒是一种表面光滑的球形乳白色颗粒。菌丝颗粒-生物炭的形态没有显著变化，但黑色生物炭粉末包裹在菌丝颗粒的中间。

结论

本研究制备了一种新型复合载体（菌丝颗粒-生物炭），并揭示了该复合载体在丙酸胁迫下增强产甲烷微生物群落代谢和生理活性的潜在机制。与菌丝颗粒相比，菌丝颗粒-生物炭具有更丰富的孔隙结构、接近零的ζ电位以及更多的EPS，表明菌丝颗粒-生物炭是一种优异的固定化载体。

参考文献

CRediT作者贡献声明

陈乐：撰写——初稿、方法学设计、数据整理、概念构建。梁新怡：撰写——审稿与编辑、实验设计、数据分析。严淼：撰写——审稿与编辑。穆罕默德·纳比：撰写——审稿与编辑。张家林：撰写——审稿与编辑。郑涛：撰写——审稿与编辑。邢涛：撰写——审稿与编辑。李颖：撰写——审稿与编辑、监督、概念构建。孙永明：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52500197和22278395）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2025B1515020045）、中国科学院青年创新促进协会以及广东省青年人才国际培训项目博士后计划（项目编号：2024003）的财政支持。