解析可乐碱（Coke）和C6-同型丝氨酸内酯（C6-homoserine lactone）在共厌氧消化过程中缓解辣椒（capsicum）应激的作用：对生理反应及群体感应（quorum sensing）调控机制的深入理解

《Renewable Energy》：Deciphering the function of coke and C6-homoserine lactone in alleviating capsicum stress during co-anaerobic digestion: Insights into physiological responses and quorum sensing regulation

焦炭与C6-HSL协同缓解辣椒素抑制提升食品废料与污泥厌氧共消化性能，促进微生物聚集、气态磷转化及关键基因表达上调。

　　

王玉晨|苏成远|董书通|周光荣|康炳亚|吴立鹏|魏立新|高舒|卢玉香

广西师范大学生态脆弱地区环境过程与修复重点实验室，中国桂林市玉才路15号，541004

摘要

由于低能耗和清洁能生产的潜力，食物垃圾（FW）与 excess sludge（ES）的厌氧共消化（AcoD）得到了广泛研究。然而，食物垃圾中的辣椒素等厌氧抑制物质以及系统不稳定常常限制其性能。本研究探讨了焦炭和C6-同型半胱氨酸内酯（C6-HSL）作为外源添加剂在辣椒素压力下增强AcoD的效果。结果表明，同时添加焦炭和C6-HSL可以促进溶解、水解、产酸和产甲烷过程，有利于微生物聚集，并将固体和液体磷转化为气态磷。这些添加剂增加了Euryarchaeota、Thermotogota、Methanosarcina 和 Syntrophomonadaceae等关键微生物的数量，提高了磷酸盐和琥珀酸的产量，并上调了与ATP和NADH合成相关的基因（如atpA、atpB、nuoF）。atpA、atpB 和 nuoF 的表达水平分别从0.1202%、0.0463%和0.1120%增加到0.1914%、0.0919%和0.3834%。本研究为缓解辣椒素抑制提供了操作策略，并为生物质能源转换的实际应用提供了理论指导。

引言

随着全球城市化的不断推进和能源短缺的加剧，高效回收城市固体废物已成为国际研究热点[1]。食物垃圾（FW）和 excess sludge（ES）作为城市固体废物污染的主要来源，已成为严重的环境问题[2]。利用厌氧消化处理FW和ES可以回收沼气等清洁能源，近年来结合FW和ES的厌氧共消化（AcoD）技术得到了广泛研究和应用[3]。与单独的厌氧消化（AD）相比，FW与ES的共消化可以平衡基质中的营养成分比例，促进微生物生长并实现互补效应。然而，FW中的辣椒素会抑制产甲烷菌的活性并影响系统稳定性，这一问题尚未得到有效解决[4]。现有的增强措施（如预处理和生物强化）存在能耗高和稳定性差的缺点，难以有效缓解辣椒素的抑制作用[5]。外源添加剂因其直接调控作用和较短的启动周期而成为新的研究方向[6]。然而，开发具有强靶向性和可控成本的对AcoD有效的添加剂，以及研究其在抑制条件下的相互作用机制，仍需进一步研究[7]。

作为群体感应（QS）信号分子，酰基同型半胱氨酸内酯（AHLs）可以调节厌氧消化中功能性微生物群落的社会行为，如细菌聚集、微生物群落构建、污染转化和胞外聚合物物质（EPS）的分泌[8]。先前的研究已证实，外源AHLs可以增强甲烷产量并促进难降解有机化合物在厌氧颗粒污泥中的水解[9]和酸化[10]。在当前的研究中，AHLs的应用主要集中在混合使用上，单个分子（如C6-HSL）的独立机制需要深入探索。此外，AHLs与EPS之间的相互作用机制仍需进一步研究[11]。

生物炭可以利用其物理化学性质和生物活性来促进微生物协同作用，帮助建立直接的种间电子转移（DIET），从而提高AcoD的性能[12]。作为低成本的工业副产品，焦炭具有类似的多孔结构和吸附能力[13]。除了稳定的芳香结构外，焦炭还含有具有异质化学性质的脂肪族和氧化碳物质[14]。目前，关于利用焦炭改善AcoD的报道较少，其对辣椒素的吸附能力尚不清楚。尽管生物炭与AHLs之间的协同作用提供了理论支持，但关于焦炭和AHLs结合以增强厌氧消化过程的研究仍需探索[15]。

在本研究中，使用焦炭和C6-HSL作为外源添加剂，探讨了它们单独和联合应用在辣椒素压力下对FW和ES AcoD的改善效果。通过分析EPS特性、甲烷产量和宏基因组数据，评估了焦炭和C6-HSL提高AcoD系统性能的潜力，揭示了在复杂底物抑制环境中单个AHLs与焦炭的相互作用机制，并确定了功能性微生物群落和代谢途径的调控规律。与大多数仅关注生物炭或多种AHLs联合应用的研究不同，本研究首次系统地研究了低成本工业副产品焦炭与C6-HSL在模拟真实食物垃圾基质（包括辣椒素）的复杂抑制环境下的协同机制。从生理反应、微生物群落演替和关键代谢途径的基因表达谱等多个角度进一步阐明了其作用机制。本研究的结果可能为减少辣椒素在AcoD中的抑制作用提供操作方法，并为实际工程应用提供理论指导。

部分摘录

食物垃圾和 excess sludge

原始食物垃圾来自中国桂林市的广西师范大学食堂，主要包含大米、米粉、蔬菜、肉类和水果。破碎后人工去除了塑料、筷子、骨头等杂质，并加入适量的纯水以确保FW质量均匀[16]。 excess sludge取自桂林市的一家啤酒厂；手动去除杂质后，将其储存在4°C下用于后续实验。见表S1

焦炭和C6-HSL对TCOD和SCOD转化的影响

总化学需氧量（TCOD）和可溶性化学需氧量（SCOD）是评估厌氧共消化系统中有机物含量的核心指标。TCOD表示消化浆液中的总有机物量（包括可溶性和颗粒态），而SCOD特指溶解在水相中且可直接被微生物利用的有机物量。TCOD和SCOD的变化可以直观反映

结论

添加焦炭促进了AcoD过程中微生物间的电子转移，并增强了微生物的存活能力，当同时添加焦炭和C6-HSL时效果更为显著。单独添加焦炭或同时添加焦炭和C6-HSL均促进了AcoD中的水解、产酸和产甲烷阶段，其中同时添加焦炭和C6-HSL更有效地降低了AcoD系统中的VFAs浓度。在磷方面

CRediT作者贡献声明

魏立新：数据可视化、数据管理。康炳亚：方法学、实验设计。吴立鹏：方法学。董书通：实验设计、数据管理。周光荣：数据可视化、软件应用。王玉晨：撰写初稿、数据可视化、软件应用、方法学设计、实验设计、概念构思。苏成远：撰写与编辑、监督、项目管理、资金申请。高舒：结果验证、正式分析。卢玉香：撰写与编辑、软件应用，

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（资助编号：52060003）、广西研究生教育创新项目（资助编号：JGY2024074）以及大学生创新与创业培训计划（202410602067）提供的财务支持。