《Bioresource Technology》：Current-carrying-coil magnetic field influences methane production in anaerobic digestion of water hyacinth by modulating reactive oxygen species levels
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水葫芦厌氧消化中电流携带线圈磁场的最佳强度为4A，通过调节活性氧水平激活抗氧化酶系统，促进水解和产酸，同时过量磁场引发氧化应激抑制产甲烷菌。
向冠宁|崔德宏|张乐|亚当·斯莫林斯基|穆罕默德·萨拉赫|鲁夫·艾哈迈德·达尔|刘荣厚
上海交通大学农业与生物学院资源与环境系生物质能源工程研究中心，中国上海东川路800号，200240
摘要
厌氧消化（AD）为水葫芦（WH）的增值利用提供了一条有前景的途径。本研究探讨了不同强度的载流线圈磁场（CCC-MF）对水葫芦消化过程的影响，并揭示了CCC-MF通过活性氧（ROS）介导的调控机制。随着电流强度的增加，每日甲烷产量先上升后下降，在4 A（2.00 mT）时达到峰值72.31 mL/g VS/d，比对照组高出15.33%。CCC-MF通过激活抗氧化酶系统来提高ROS水平并对其进行调控。在4 A的电流下，CCC-MF促进了木聚糖分解菌Bacteroides graminisolvens的生长，并增加了氢营养型甲烷菌Methanospirillum的相对丰度。基因富集和代谢分析表明，适度的ROS有助于水葫芦的水解和酸生成，而强磁场（5 A）下过量的ROS会加剧厌氧古菌的氧化应激。CCC-MF还显著上调了与ROS生成和代谢相关的功能基因。这些发现为从水葫芦中回收循环能量以及应用CCC-MF辅助的AD技术提供了机制上的见解。
引言
入侵性水葫芦（WH）已成为全球范围内的普遍生态问题。其显著特征是快速生长和形成表层覆盖层，同时具有对pH值、温度和营养水平变化的高耐受性。一旦建立，水葫芦会排挤本地水生植物，降低溶解氧含量，并破坏水生生物多样性。数十年的全球控制和根除工作消耗了大量资源，但效果有限且短暂（Bhatia等人，2025年）。已报道的增值利用方法包括厌氧消化（AD）、堆肥/有机肥料、动物饲料、致密生物燃料颗粒（Hudakorn和Sritrakul，2020年）以及作为混凝土掺合料。其中，AD因成本效益和生物能源回收而具有吸引力，为水葫芦的利用提供了有前景的途径。然而，由于水葫芦坚韧的木质纤维素结构，直接消化受到限制。这一瓶颈制约了水解速率，降低了底物的生物可利用性和降解性，进而影响微生物转化效率，导致甲烷产量减少（Induchoodan等人，2024年）。因此，增强水葫芦的水解对于维持稳定的甲烷生成至关重要。预处理策略（热处理、生物处理和热化学处理）可以缓解这一问题，但产生的抑制性副产物和额外的能源/化学投入通常会增加成本和过程风险（Manigandan等人，2023年；Suthar等人，2022年）。一种低成本的物理方法是利用磁场（MF）来改善木质纤维素的分解，从而提供新的应用选项。
将磁场（MF）与厌氧消化（AD）结合被认为是提高有机废物增值利用效率的有效途径（Geng等人，2020年）。MF可以以静态、交变/动态或线圈形式提供，其效果取决于强度、空间分布和暴露时间。近期研究（2021-2025年）一致表明存在一个“最佳强度窗口”：适度的MF通过刺激关键代谢功能（如甲烷生成相关酶/基因和电子转移）来提高甲烷产量，而过强的MF可能会引发应激，削弱或逆转性能提升（Hong等人，2024年；Yang等人，2023年）。值得注意的是，载流线圈磁场（CCC-MF）具有合适的强度和方便的外部安装方式，并在近期研究中展示了试点规模的可行性（Zhang等人，2024b）。然而，CCC-MF是否以及如何通过活性氧（ROS）调节来增强木质纤维素水葫芦的消化效果仍不明确。
在厌氧微生物群落中，ROS通过氧化还原反应（包括金属催化的途径）不断产生，包括短寿命的自由基（如•OH和•O2–）和长寿命的氧化剂如H2O2。在低至中等强度下，ROS可作为调节微生物代谢和酶活性的信号；然而，过量的ROS会破坏膜和蛋白质，触发氧化应激反应，抑制厌氧菌的生长（Allen和Tresini，2000年；Brioukhanov和Netrusov，2004年）。磁场可以改变细胞内的ROS和抗氧化系统，这表明磁场强度与AD过程中的有益/抑制效应之间存在关联，但在复杂的木质纤维素消化系统中的机制证据仍然有限。
因此，本研究的目的是评估不同强度的CCC-MF对水葫芦半连续厌氧消化的影响，旨在确定能够最大化甲烷生成的CCC-MF强度，并从ROS生成和清除的角度阐明其作用机制。本文评估并比较了AD表现、关键功能酶的活性、ROS诱导的效果、挥发性脂肪酸（VFAs）的积累、微生物群落动态以及潜在的防御反应。总体而言，本研究通过（i）确定适用于木质纤维素水葫芦的CCC-MF操作窗口，（ii）建立基于酶和宏基因组证据的ROS调控机制，（iii）将CCC-MF与其他先进的强化方法进行比较，超越了现有的MF辅助AD研究。
部分内容摘要
底物和接种物
水葫芦样本取自上海交通大学的一个池塘，切成小段后烘干并在研磨机中研磨。研磨后的水葫芦通过60目筛网过滤，装袋并储存在阴凉干燥的容器中。接种物来自中国上海闵行区的一个污水处理厂，在使用前储存在-4 ℃的环境中。预处理后的水葫芦和种子污泥的详细信息见表S1（见补充材料）。简而言之，预处理后的水葫芦...
不同电流强度下CCC-MF对水葫芦厌氧消化过程中甲烷生成的影响
如图1（a）所示，从第1天到第80天，不同CCC-MF电流处理组的每日甲烷产量存在显著差异（p < 0.05）。在最初的1至30天内，所有组的甲烷产量均急剧上升，随后由于接种物适应底物和操作条件、水解酸生成微生物及甲烷菌的富集以及半连续进料造成的短暂有机负荷波动，导致气体生成不稳定（Chaher等人，2021年）。...
结论
CCC-MF可以调节ROS水平，从而影响水葫芦的厌氧消化性能。结果显示，CCC-MF显著提高了ROS水平并激活了抗氧化酶系统。适度的ROS水平促进了水葫芦的水解和酸生成，而强磁场（5 A）下过量的ROS会对甲烷生成途径造成氧化应激。相应地，随着CCC-MF电流的增加，水葫芦的日均甲烷产量先上升后下降，达到最大值...
CRediT作者贡献声明
向冠宁：撰写——初稿、可视化、实验设计。崔德宏：撰写——审阅与编辑、数据验证。张乐：撰写——审阅与编辑、资金筹集、数据管理、概念构思。亚当·斯莫林斯基：撰写——审阅与编辑、数据验证。穆罕默德·萨拉赫：撰写——审阅与编辑、数据验证。鲁夫·艾哈迈德·达尔：撰写——审阅与编辑、数据验证。刘荣厚：撰写——审阅与编辑、数据验证。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
