《Process Biochemistry》：Microaerobic Bio-pretreatment of Straw with Fermentation Broth as Inoculum: Enhancing Hydrolysis-Acidification Efficiency
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本研究采用响应面法优化微好氧预处理条件（时间、VFAs浓度、水含量），发现预处理时间与VFAs浓度交互作用显著提升秸秆水解酸化效率，并通过宏基因组学分析揭示微生物群落结构变化（Proteobacteria等产酸菌丰度增加），为商业化AD提供新策略。
王楚桥|刘晓倩|潘家龙|黄珊|龙西子|胡玉英|张家杰
华东交通大学土木与建筑工程学院，中国南昌330013
摘要
厌氧消化（AD）已被认为是处理农业废弃物（如秸秆）的一种有前景的技术。然而，AD面临水解速率低这一瓶颈问题。微好氧预处理显著提高了秸秆的AD效率，但其效果取决于预处理时间和水分含量等因素，这些因素之间的相互作用尚不明确。因此，本研究采用响应面方法（RSM）来探讨预处理时间、水分含量以及接种物中挥发性脂肪酸（VFAs）浓度之间的相互作用。结果表明，在预处理时间为10天且VFAs浓度为10,000 mg/L时，水解-酸化效率最高；同时，这两个因素在接种物中存在显著的相互作用。此外，微生物群落分析显示，微好氧预处理改变了微生物群落结构，使其适应微氧环境，从而促进了秸秆的水解-酸化过程。具体而言，变形菌门、厚壁菌门和放线菌门成为主要的产酸细菌。在真菌群落中，以降解木质素著称的黑曲霉和柠檬青霉分别增加了4.4倍和1.2倍。而甲烷菌门成为古菌群落中的主要成分。本文为商业厌氧反应器中木质纤维素的预处理提供了新的视角。
引言
中国每年产生的秸秆量达10.4亿吨，是主要的农业废弃物之一[1]。如此大量的废弃物处理一直是能源和环境管理领域长期面临的挑战。厌氧消化（AD）是一种将秸秆转化为甲烷的有利技术，有望同时解决环境问题[2]。然而，秸秆的主要成分木质纤维素具有复杂的结构，与木质素、纤维素和半纤维素交织在一起，这阻碍了水解酸化细菌的有效降解[3],[4]。因此，克服限速步骤（水解）[5]并将木质纤维素生物质转化为可溶性物质对于提高AD过程至关重要。
为应对这些挑战，近年来在生物、化学、机械和热预处理方面的进展被认为可以有效提高底物的溶解度[6],[7],[8]。其中，生物预处理因其温和的反应条件和低成本而受到广泛关注。值得注意的是，微好氧生物预处理仅需少量氧气，使其成为经济高效且环保的预处理方法[9]。最新研究表明，引入少量氧气可以增加厚壁菌门的相对丰度和细菌多样性，从而提高秸秆的水解速率[10],[11]。然而，这种方法不仅涉及接种剂的成本，还需要补充氮和微量元素等营养物质[12]。此外，微生物预处理还需要添加能够促进秸秆水解的菌株或水解酶。选择这些菌株[13]以及购买相关水解酶的高成本，对微生物预处理的广泛应用（例如酶处理[14]和白腐真菌处理[15]）构成了重大障碍。
同时，来自水解-酸化反应器的发酵液含有丰富的微生物种群和营养物质。先前的研究发现，发酵液中含有16个细菌门和7个真菌纲，以及高含量的氨氮[16]。研究表明，使用沼气浆液进行秸秆预处理是可行的[17]，因为它含有高浓度的铵氮和有机酸，可以溶解木质纤维素，从而促进沼气产生[18]。此外，好氧堆肥技术也涉及将秸秆等有机材料堆叠并喷洒沼气浆液进行预处理。过去的研究表明，亚临界预处理能有效促进有机酸的产生，增加多糖的产量并抑制其降解为糠醛[19],[20]。富含挥发性脂肪酸（VFAs）的有机酸可以在预处理过程中释放可溶性糖，从而提高水解反应速率[21]。此外，预处理过程中还存在多种影响因素[22]，例如预处理时间和水分含量。较长的预处理时间会导致有机物损失，而较短的预处理时间则会导致底物分解不足[24]。VFAs作为发酵液中的重要成分，但以往研究缺乏对其与水分含量和预处理时间等因素之间关系的系统研究。因此，彻底研究这些影响因素在发酵液预处理中的综合影响，并进一步优化特定条件以提高预处理效率至关重要。
实验设计经常采用响应面方法（RSM），该方法有效整合了数学和统计技术[25],[26]。RSM能够从多个因素中提取重要参数，以分析实验中因变量的交互效应[27]。先前的研究利用RSM优化了污泥的热水解预处理[28]。通过应用RSM，可以确定最佳温度和反应时间，并分析其他影响秸秆水解效率的因素之间的相互作用[29]。因此，利用RSM可以准确确定秸秆水解-酸化的最佳条件。
此外，克服限速步骤的关键在于增强能够分解木质纤维素材料的微生物的存在，包括放线菌门、厚壁菌门和变形菌门在预处理过程中的作用[30]。先前的研究表明，有限的氧气可以促进与木质纤维素水解-酸化相关的兼性厌氧微生物群落[31]。迄今为止，普遍认为预处理条件显著影响预处理微生物的效果[20]。然而，关于在微好氧条件下作为接种物的水解发酵液中的微生物群落变化的研究仍不充分。
本研究利用RSM探讨了预处理时间、接种物中VFAs浓度和水分含量对微好氧条件下秸秆水解和酸化效率的影响和相互作用。目的是更好地优化特定条件——即预处理时间、接种物中VFAs浓度和水分含量——以提高秸秆的水解和酸化效率。此外，还选择了高通量测序技术来研究微好氧预处理在AD中的应用对微生物群落过程的影响，并探索预处理过程中的微生物机制。本研究旨在提供改进秸秆预处理精度控制和效率的实际策略。
部分摘录
底物和接种物
用于预处理的油菜秸秆在露天场地自然风干，直到水分含量降至10%以下。去除秸秆中的残余谷物后，将其机械粉碎，并用20目不锈钢筛网筛选，保留大于30目的颗粒。秸秆的碳（C）和氮（N）含量分别为44.51±0.32%和0.88±0.11%。总固体（TS）和
利用RSM分析微好氧预处理中的相互作用
不同预处理时间、接种物中VFAs浓度和水分含量组合的VFAs结果见表S1。基于此，选择VFAs浓度作为输出响应，并建立了预处理过程中预处理时间、接种物中VFAs和水分含量的二次响应面回归模型。二次方程（1）由软件生成：y=-96737.27356+1606.82403×1+0.584056×2+2855.27102×3-0.015851x1x2
结论
通过RSM分析发现，预处理时间和接种物中VFAs浓度之间的相互作用最为显著。然而，水分含量和预处理时间对秸秆水解-酸化的相互作用相对不显著。微好氧预处理后，微生物群落结构发生了显著变化。主要的细菌群落由变形菌门组成，其中包含多种能够
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
作者贡献声明
王楚桥：撰写——初稿、资源获取、研究、资金筹措、概念构思。黄珊：项目管理、资金筹措。龙西子：监督、资金筹措。刘晓倩：可视化、软件应用、数据管理。潘家龙：数据分析。胡玉英：方法学研究。张家杰：撰写——审稿与编辑、项目管理、概念构思。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42207159）、江西省自然科学基金（20242BAB25318, 20212BAB214007）、湖南省自然科学基金（2024JJ4035, 2023JJ40539）的资助
利益冲突
所有作者保证他们与本文讨论的主题或材料无关，也没有任何组织或实体在其上有财务或非财务利益关联。
