间歇性通风有助于优先降解顽固的大分子以及分子内的氢键，从而促进协同生物蒸发过程

协同生物蒸发工艺中，间歇通风（IV）与连续通风（CV）对有机物降解顺序及速率的影响机制研究。采用二维同步与异步相关光谱分析技术，结合13C NMR和FTIR，揭示木质素、多糖及脂类分子结构演化规律，发现IV优先降解木质素而CV侧重多糖和脂类，氧介导底物可及性调控顺序，结构复杂性和组成决定速率。研究为工艺优化提供理论依据。

　　

向朝兴|黄天晓|刘艳梅|钟琼娣|刘兰|子金雄|杨本勤|潘学军

昆明理工大学环境科学与工程学院，中国昆明 650500

摘要

生物蒸发利用食物和农业废弃物降解过程中产生的代谢热来增强水分蒸发并减少有机物。此外，间歇性通风有助于节能。通过结合¹³C NMR和FTIR的二维同步和异步相关光谱，揭示了协同生物蒸发过程中有机化合物的分子结构、官能团特性及其时间演变速率和顺序。结果表明，在间歇通风（IV）和连续通风（CV）条件下，有机物的降解顺序存在显著差异。具体而言，在IV条件下，木质纤维素比多糖和脂类先降解，且纤维素中的顽固分子内氢键也比分子间氢键更易降解。这可能是由氧气介导的底物可及性调节的降解顺序，而降解速率则由结构复杂性和组成决定。本研究的结果对于建立协同生物蒸发过程的实际应用理论基础至关重要。

引言

由于食物废弃物（FW）含有较高的水分和有机物质，在收集和运输过程中会产生异味和渗滤液。通过使用生物膜形成的农业废弃物作为填充剂和微生物载体，成功应用了协同生物蒸发技术，利用FW和农业废弃物降解产生的代谢热实现了水分蒸发增强和有机物同时减少的效果[[1], [2], [3]]。在此过程中，强制通风维持了微生物的有氧呼吸并排出系统中的水蒸气[1,4]，而间歇性通风（IV）通过改变某些内在特性被提出作为一种节能策略。例如，IV促进了古菌的生长，导致细菌在载体颗粒内部区域聚集并减少了脂类的降解，但增加了蛋白质的降解；而CV则促进了真菌的优势地位，并在颗粒表面积累了更多活细菌[2,5]。此外，IV显示出更强的DNA修复能力、微生物存活率和脱氢酶活性，而CV则表现出更高的碳水化合物/脂质代谢基因表达、ATP水平和肽聚糖酶活性[5]。

然而，这些研究主要集中在功能微生物群落的特征、分布及其在最终降解结果中的潜在作用上[2,5]。关于IV和CV条件下大分子的详细时间降解动力学（如降解速率和降解顺序）仍不清楚，因此对生物蒸发机制的深入理解还存在空白。在这里，区分降解速率和降解顺序非常重要，因为它们反映了微生物代谢和系统性能的不同方面。

降解速率表明有机成分的代谢速度[6]，受结构复杂性、化学稳定性和酶可用性的影响。例如，由于糖苷键易于断裂，多糖比木质素降解得更快[7]。速率直接影响瞬时热释放和蒸发效率，从而影响整体能量输出和过程稳定性。相比之下，降解顺序指的是微生物群落对有机成分的时间利用顺序，受生态策略、底物可及性和氧化还原条件的影响[8,9]。在间歇通风（IV）条件下，兼性厌氧菌可能会在多糖之前水解长链脂肪族化合物；而连续通风（CV）则有利于快速消耗小分子碳水化合物。这种顺序模式改变了代谢途径、中间产物的积累和微生物群落结构，最终影响热生成和有机物的稳定。

理解降解速率和顺序之间的相互作用对于优化生物蒸发至关重要。在IV条件下早期木质纤维素的降解可能会释放出易分解的有机物，维持微生物活性并延长热产生时间。相反，在CV条件下快速消耗易分解化合物可能导致微生物过早衰减和蒸发能力下降[5]。因此，明确这两种动力学有助于制定通风策略，以提高实际应用中的能量回收和过程稳定性。

特别是IV条件下的变化可能有利于兼性和/或厌氧微生物的生长，并可能改变有机化合物的分解途径。传统的化学分析方法在确定生物蒸发过程中有机物的演变和降解状态时面临挑战，因为原材料的复杂性、环境因素的变异性以及降解产物的多样性[10]。同时，所有有机成分的降解是同时发生的，它们的增加或减少受到其他成分降解速率的影响[9]。因此，很难在微观层面上确定降解动力学的细节，尤其是有机物质的解离顺序。

原位生物分子成像可以避开共降解的干扰[11]。荧光标记结合CLSM能够随时间追踪有机成分[12,13]，但探针的可用性限制了成分的特异性并模糊了分子结构的演变（Gao等人，2022年）。虽然¹³C NMR和FTIR提供了骨架和动态信息[9,14]，但复杂的基质会导致一维光谱中的峰重叠，限制了动态变化的分辨率[9]。二维相关光谱（2D-COS）通过解析重叠峰、区分重叠部分并提取额外分子信息来提高分辨率[15,16]。通过同步和异步光谱分析，2D-COS揭示了官能团对扰动的响应顺序，并阐明了分子内和分子间的相互作用[[17], [18], [19]]。

因此，结合¹³C NMR或FTIR的二维同步和异步相关光谱可以揭示有机化合物的分子结构、官能团特性及其时间演变速率和顺序，从而有助于更深入地研究IV和CV生物蒸发过程中大分子和官能团之间的生化相互作用。这种定性和定量分析对于理解高效生物蒸发机制并为实际应用建立理论基础至关重要。

实验部分

生物蒸发过程和样品收集

从昆明理工大学食堂收集的食物废弃物（FW）使用刘等人[12]的方法进行了均质处理。作为填充剂和微生物载体的生物膜玉米芯按照杨等人[1]的方法制备。1.68公斤的FW与20.77升脱水后的生物膜玉米芯混合，调整初始体积负载为23.82克FW每升[12]，然后将混合物加入一个28.3升的圆柱形反应器中。一次实验采用间歇性通风，即10分钟通风、20分钟停止（IV）

通过¹³C NMR揭示的有机物降解动力学

通常，23–33 ppm处的¹³C NMR光谱对应于脂肪族长链中的CH₂基团，而56 ppm处的信号来源于香豆素型和愈创木素型木质素单元上的甲氧基或氨基基团。70–80 ppm和105 ppm区域的信号是吡喃糖苷碳的特征，其中72 ppm处的峰特定对应于纤维素和半纤维素吡喃糖苷中的C₂、C₃和C₅位置。接近130 ppm处的光谱表明了邻羟基苯酚中的碳

结论

降解速率受结构复杂性和底物丰度的控制：在两种通风模式下，多糖比木质素降解得更快，且纤维素中的分子间氢键比分子内氢键断裂得更快。然而，降解顺序存在显著差异。CV优先降解多糖和脂类，而IV则延缓了这些易分解成分的降解。此外，在IV条件下，顽固的...

CRediT作者贡献声明

向朝兴：撰写——初稿，可视化，实验研究，数据管理。黄天晓：撰写——初稿，可视化。刘艳梅：撰写——审稿与编辑，可视化，实验研究。钟琼娣：可视化，数据管理。刘兰：方法学，正式分析。子金雄：实验研究，正式分析。杨本勤：撰写——初稿，可视化，软件使用，方法学，概念构思。潘学军：监督。

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致谢

作者感谢云南省重大科技项目（202302AG050001）和云南省振兴人才支持计划青年人才项目（CG23166F348A）提供的财政支持。