解析多源材料对食物废弃物半连续厌氧消化的影响：性能提升与机制分析

《Journal of Environmental Management》：Deciphering the impacts of multi-source materials on semi-continuous anaerobic digestion of food waste: performance enhancement and mechanism analysis

半连续厌氧消化中，铁基复合材料（Fe?O?、Fe?O?）与活性炭通过调控氢营养型甲烷菌代谢及关键酶基因（pyc、acs）表达，显著提升系统产气量（达808.1±66.0 mL/g VS）和有机物降解率（82.7±0.7%），有效抑制挥发性脂肪酸（VFA）积累。研究证实外源材料通过微生物-材料耦合机制优化甲烷生成途径， DIET贡献不显著。

　　

陈永东|朱瑞婷|刘芳|张秀霞|李诗|顾莉|舒建成

中国石油大学（华东）化学与化学工程学院，青岛，266580，中国

摘要

厌氧消化是一种有前景的食品废物增值技术，能够实现资源回收和可再生能源生产。然而，尽管外加物质的添加可以提高消化性能，但调控半连续运行的机制仍不清楚。通过120天的半连续实验，本研究评估了基于铁的复合材料（Fe + C、Fe₂O₃和Fe₃O₄）和颗粒活性炭（GAC）对系统效率的影响。结果表明，外加物质显著增强了沼气产量（在中温厌氧消化+Fe₂O₃反应器中达到808.1 ± 66.0 mL/g VS）（MAD + Fe₂O₃），改善了有机物的降解（VS去除率：82.7 ± 0.7%），并减轻了挥发性脂肪酸（VFA）的抑制作用（从5000 mg/L降低到2800 mg/L）。值得注意的是，基于铁的材料表现出选择性的调控作用：Fe和Fe₃O₄促进了产氢甲烷菌的代谢，而Fe₂O₃增强了水解酶活性并上调了与三羧酸（TCA）循环相关的基因。微生物分析揭示了双重增强机制：1）产氢甲烷菌（Methanobacterium）和产乙酸甲烷菌（Methanosarcina/Methanosaeta）的富集；2）关键代谢基因的上调，包括pyc（丙酮酸羧化酶）和acs（乙酰辅酶A合成酶）。有趣的是，直接的种间电子转移（DIET）的贡献微不足道，这挑战了DIET主导增强的普遍假设。本研究阐明了外加物质如何通过微生物-材料耦合来调控甲烷生成途径，并弥合了材料增强性能与半连续厌氧消化中功能性微生物组之间的知识差距，为优化节能处理系统提供了理论基础。

引言

随着全球城市化的加速，每年产生的食品废物量已超过1.3亿吨（He等人，2024年）。在这种背景下，高效利用食品废物已成为实现资源循环的关键途径。厌氧消化技术因其将有机物转化为甲烷和减少废物的双重优势而被认为是最有前景的食品废物处理方法之一（Leung和Wang，2016年；Li等人，2019年）。然而，这项技术在实际应用中仍面临严峻挑战。一方面，食品废物具有高度异质性，具有油含量高和盐浓度高的特点（Jin等人，2021年）。另一方面，微生物在水解-酸化-乙酸生成-甲烷生成四个阶段的代谢敏感性导致了广泛的瓶颈问题，如系统中的快速酸化和挥发性脂肪酸（VFA）过度积累（Li等人，2017年；Maharaj等人，2019年；Wang等人，2022年）。特别是在半连续运行模式下，高有机负荷率（OLR）显著加剧了酸抑制的风险，这是由于水解菌、产酸菌和产甲烷古菌之间的代谢差异导致VFA的生成速率远高于其消耗速率。最终，这会使甲烷产量仅达到理论值的60%，严重限制了其工程应用（Azizi等人，2019年）。

近年来，外加添加剂被用来增强厌氧消化系统的稳定性和产甲烷能力，从而开辟了新的途径（Liu等人，2021年；Martins等人，2018年；Zhang等人，2018年）。研究表明，零价铁（Fe）可以通过促进有机酸的转化和增强产甲烷古菌的活性来防止酸化（Kong等人，2016年，2018年；Yuan等人，2021年）。此外，它不仅可以显著增强酶活性，还可以作为产氢甲烷菌的电子供体，促进产氢甲烷过程（HM）（Hao等人，2017年；Zhen等人，2015年）。据报道，赤铁矿（Fe₂O₃）可以激活更多的天然核心细菌，如Firmicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes（Zhang等人，2024c）。磁铁矿（Fe₃O₄）能够建立电活性细菌和古菌之间的直接种间电子转移（DIET）（Aeppli等人，2019年），从而显著提高厌氧系统的稳定性。一些具有导电性的碳材料，如碳布、生物炭和活性炭，也被发现有助于构建DIET（Abbas等人，2021年；Chen等人，2014年）。尽管上述外加添加剂已被证明在高OLR条件下能有效增强厌氧消化，但现有研究仍存在一些关键局限性，导致实验室规模发现与实际工程应用之间存在显著差距。首先，研究场景与实际操作脱节。大多数研究集中在单一材料测试或操作周期较短的简化批次系统上（Chen等人，2025年；Zhang等人，2025b；Zhu等人，2020年）；然而，实际的厌氧消化项目通常采用半连续模式并经历OLR波动。这种批次模式无法捕捉微生物群落的长期动态或验证材料在复杂多变条件下的持续有效性，使其结论对指导实际工程的指导价值有限。其次，缺乏对多源材料的协同效应、微生物的共生机制以及长期运行下关键功能基因表达的系统性分析（Jiao等人，2023年）。如果不解决这些问题，“材料增强消化”仍然是一个没有明确机制基础的现象。第三，DIET被广泛认为是导电材料增强厌氧消化的关键机制（Li等人，2022年；Jiao等人，2023年），但其对甲烷产量的实际贡献尚未得到评估。大多数研究通常通过特定微生物的数量来推断DIET的存在，并隐含地假设DIET是增强甲烷产量的主要原因，而没有建立“DIET相关基因表达-电子转移效率-甲烷产量”之间的直接联系。这种模糊性不仅削弱了DIET作为核心机制的可信度，还掩盖了它与传统甲烷生成途径的关系。

基于此，本研究系统地研究了在连续添加多源外加材料（Fe、Fe₃O₄、Fe₂O₃、C和Fe + C复合材料）的情况下，半连续厌氧消化食品废物的动态响应机制，同时逐渐增加OLR。特别关注于阐明外加物质如何调节厌氧消化的关键阶段并提高其对OLR的适应性。通过结合电化学分析和宏基因组测序，我们重点分析了：1）与DIET相关的电活性生物标志物（例如细胞色素、pilin基因）相关的基因丰度；2）关键功能基因（如能量代谢和甲烷生成代谢酶mcr、acs）的进化模式；3）DIET途径对甲烷产量的贡献。本研究旨在阐明外加物质如何通过微生物-材料耦合来调控甲烷生成途径，并弥合材料增强性能与半连续厌氧消化中功能性微生物组之间的知识差距，为优化节能处理系统提供理论基础。

部分摘录

底物、接种剂和多源材料

食品废物是本研究的主要底物。为了确保半连续操作的底物组成一致，根据先前的研究配方（Chen等人，2023a），使用预定配方合成废物材料：每500克食品废物添加35克煮熟的米饭、30克煮熟的瘦猪肉、20克煮熟的肥肉、15克蔬菜（卷心菜或油菜）和400克去离子水。使用搅拌机（Jiuyang L6-L500）将混合的食品废物加工成浆液。

沼气和甲烷产量

从图1a可以看出，添加不同外加导电材料的反应器之间的日沼气产量存在显著差异。添加了Fe₂O₃（MAD + Fe₂O₃）和Fe + C（MAD + Fe + C）的反应器显示出更高的沼气产量（Fe₂O₃，Fe + C：p < 0.01），其中MAD + Fe₂O₃反应器的产量最高（808.1 ± 66.0 mL/g VS）（图S2a）。在相对较低的OLR下，水解和酸化过程中产生的电子被后续过程迅速消耗。

结论

本研究系统地研究了多源外加材料（Fe、Fe + C复合材料、Fe₂O₃、Fe₃O₄和GAC）在逐渐增加OLR条件下对食品废物半连续厌氧消化的长期影响。主要发现表明，外加物质显著增强了系统稳定性，减轻了酸抑制，并提高了沼气产量（在Fe₂O₃改良的反应器中达到808.1 ± 66.0 mL/gVS）。Fe₂O₃主要通过富集

CRediT作者贡献声明

陈永东：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，资金获取，正式分析，概念化。朱瑞婷：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，正式分析。刘芳：可视化。张秀霞：正式分析。李诗：撰写 – 审稿与编辑，可视化，概念化。顾莉：概念化。舒建成：数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢中央高校基本研究基金（24CX06053A）、山东省自然科学基金项目（ZR2025QC1100）和固体废物处理与资源回收重点实验室开放项目（25kfgk03）对本工作的财务支持。