Optimizing anaerobic digestion: Benefits of mild temperature transition from thermophilic to mesophilic conditions

中层 产甲烷 厌氧消化 嗜热菌 化学 微生物代谢 基因组 丙酸盐 微生物种群生物学 无氧运动 生物化学 生物 甲烷 生物物理学 细菌 生态学 遗传学 生理学 基因
作者
Xingxing Zhang,Pengbo Jiao,Yiwei Wang,Yinying Dai,Ming Zhang,Peng Wu,Liping Ma
出处
期刊:Environmental science & ecotechnology [Elsevier BV]
卷期号:21: 100440-100440 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.ese.2024.100440
摘要

Anaerobic digestion (AD) plays a significant role in renewable energy recovery. Upgrading AD from thermophilic (50–57 °C) to mesophilic (30–38 °C) conditions to enhance process stability and reduce energy input remains challenging due to the high sensitivity of thermophilic microbiomes to temperature fluctuations. Here we compare the effects of two decreasing-temperature modes from 55 to 35 °C on cell viability, microbial dynamics, and interspecies interactions. A sharp transition (ST) is a one-step transition by 20 °C d−1, while a mild transition (MT) is a stepwise transition by 1 °C d−1. We find a greater decrease in methane production with ST (88.8%) compared to MT (38.9%) during the transition period. ST mode overproduced reactive oxygen species by 1.6-fold, increased membrane permeability by 2.2-fold, and downregulated microbial energy metabolism by 25.1%, leading to increased apoptosis of anaerobes by 1.9-fold and release of intracellular substances by 2.9-fold, further constraining methanogenesis. The higher (1.6 vs. 1.1 copies per gyrA) metabolic activity of acetate-dependent methanogenesis implied more efficient methane production in a steady mesophilic, MT-mediated system. Metagenomic binning and network analyses indicated that ST induced dysbiosis in keystone species and greatly enhanced microbial functional redundancy, causing loss of microbial syntrophic interactions and redundant metabolic pathways. In contrast, the greater microbial interconnections (average degrees 44.9 vs. 22.1) in MT at a steady mesophilic state suggested that MT could better maintain necessary system functionality and stability through microbial syntrophy or specialized pathways. Adopting MT to transform thermophilic digesters into mesophilic digesters is feasible and could potentially enhance the further optimization and broader application of practical anaerobic engineering.
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