pH：调控农业废弃物厌氧发酵中绿色化学品的生产

《Biomass and Bioenergy》：pH as a key driver of green chemicals production in agroindustrial waste fermentation

为了解决农业废弃物处理难题并实现高值化利用，本研究聚焦pH如何作为关键参数调控厌氧发酵（AF）过程。研究人员通过精细调控pH（从6.2降至5.5），揭示了其对微生物群落结构（如厚壁菌门和放线菌门、乳酸菌）及产物谱的定向调控作用，成功实现了从短链脂肪酸（SCFAs）到乙醇（EtOH）和氢气（H2）等绿色化学品的可控制备，为废弃物资源化开辟了新途径。

　　

随着全球人口增长和资源消耗，能源与化学品的需求持续攀升，对化石燃料的依赖带来了严峻的环境挑战。与此同时，大量的农业和工业有机废弃物（AGW）产生，传统的填埋或焚烧处理方式不仅占用土地，还可能造成二次污染。如何将这些“放错位置的资源”转化为有价值的化学品，实现“变废为宝”，已成为可持续发展和循环经济的关键课题。厌氧发酵（AF）技术作为一种有潜力的解决方案，可以将有机废弃物转化为短链脂肪酸（SCFAs）、氢气（H₂）和乙醇（EtOH）等高附加值产品。然而，AF过程的产物产量和种类高度不稳定，常常“听天由命”，难以定向控制，这极大地限制了其工业化应用。科学家们发现，在众多操作参数中，pH值如同一个“总指挥”，对微生物的活性、群落结构乃至最终的代谢产物谱有着决定性的影响。但是，pH这个“指挥棒”具体是如何挥舞，又是如何细微地改变整个“微生物乐团”的演奏曲目（产物）的呢？这一问题尚未被完全阐明。为此，来自西班牙IMDEA能源研究所的研究团队开展了一项深入研究，系统地揭示了pH作为关键驱动因子，在农业废弃物厌氧发酵生产绿色化学品过程中的精细调控机制。他们的研究成果发表在国际期刊《Biomass and Bioenergy》上。

为了探究上述问题，研究人员采用了一套系统性的实验与分析方法。首先，他们以市场剩余的甜瓜、西葫芦和黄瓜混合物（50:25:25, w/w）作为农业废弃物原料，在1升的连续搅拌罐式反应器（CSTR）中进行厌氧发酵，温度恒定为35°C，有机负荷率（OLR）为3 gVS·L^-1·d^-1。研究设计了两个连续的发酵阶段，通过添加氢氧化钠精细控制pH：第一阶段（第一情景）pH控制在6.0-6.5范围（平均6.2），第二阶段（第二情景）pH降至5.0-5.8范围（平均5.5），直至反应器重新达到稳定状态。研究过程中，定期对反应器的进、出水进行全面的物化分析，包括总化学需氧量（TCOD）、可溶性化学需氧量（SCOD）、挥发性固体（VS）、铵态氮（NH₄⁺-N）以及代谢产物浓度。代谢产物（如乙醇、乳酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等）通过高效液相色谱（HPLC）进行定量，反应器顶空气体的体积和成分（如甲烷、氢气）则通过气相色谱（GC）进行监测。此外，研究的关键在于对微生物群落的解析：分别在接种物、第一情景和第二情景的稳定期采集样品，提取DNA，并对16S rRNA基因的V3-V4高变区进行测序，通过生物信息学分析揭示微生物在门和属水平上的组成变化，并计算了操作分类单元（OTUs）和香农指数（Shannon Index）以评估生物多样性。

3.1. 不同pH下的AF性能：碳和氮的降解去向

通过在不同pH下运行AF，研究人员评估了其性能。在第一情景（pH 6.2）下，有机质向代谢产物的生物转化效率达到61.3%，代谢产物总浓度为28.6 g L^-1；在第二情景（pH 5.5）下，效率为55.7%，总浓度为25.3 g L^-1，两者均显示出较高的转化效率。结果表明，35°C的温和温度和较长的水力停留时间（HRT，约20天）共同促进了高水解和产酸效率。pH的降低对过程产生了细微但关键的影响：与pH 6.2相比，pH 5.5导致了挥发性固体（VS）去除率和产酸效率的轻微下降。这可能是由于较低的pH环境增加了未解离短链脂肪酸（SCFAs）对微生物细胞膜的渗透压力，从而抑制了部分微生物的代谢活性。更重要的是，pH显著调控了底物的降解偏好。在pH 6.2时，系统同时高效降解碳水化合物和蛋白质，氮矿化率高达40.6%；而当pH降至5.5时，系统几乎完全转向碳水化合物发酵，氮矿化率急剧降至8.2%，表明酸性条件限制了蛋白水解活性。此外，pH对产甲烷古菌的抑制效果明显：在pH 6.2时仍有少量甲烷（72.6 mL·gCOD_in^-1）产生，而在pH 5.5时甲烷产量极低（5.2 mL·gCOD_in^-1），取而代之的是显著的氢气（136.2 mL·gCOD_in^-1）产出，这与碳水化合物主导的代谢途径相符。

3.2. 代谢产物与pH降低下发育的微生物组的相关性

微生物群落分析揭示了pH驱动的剧烈变化。接种物来源的厌氧污泥具有极高的生物多样性（OTUs: 2911）。经过AF条件驯化后，多样性大幅降低，并且在pH从6.2降至5.5后，OTUs数量进一步从771减少至308，表明酸性条件对微生物群落产生了强烈的选择压力。尽管香农指数变化不大，但群落结构和新陈代谢方向发生了根本性转变。

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  第一情景（pH 6.2）的产物与菌群：代谢产物几乎全部为短链脂肪酸（SCFAs），总量达27.9 g L^-1，其中以乙酸（HAc，44.4%）和己酸（HCa，25.1%）为主导，丁酸（HBu，18.9%）也占相当比例。对应的微生物群落以放线菌门（Actinobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）为优势菌门。在属水平上，与产酸相关的Coriobacteriaceae科、Lachnospiraceae科、Ruminococcus属、Pseudoramibacter Eubacterium属和未分类的梭菌纲（Clostridia）细菌丰度较高。这些微生物的协同作用是实现高效生物转化（61.3%）的关键。
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  第二情景（pH 5.5）的产物与菌群：pH的降低导致了代谢谱的显著变化。虽然短链脂肪酸总量有所下降（22.1 g L^-1），但丁酸（HBu）的比例大幅上升至38.2%，而乙酸比例降至15.3%。更引人注目的是，产物中出现了乙醇（EtOH，占总代谢物10.7%）和大量氢气。微生物群落分析显示，乳酸菌（LAB）相关菌属（如Lactobacillus, Bifidobacterium, Enterococcus）的丰度显著增加。尽管系统中乳酸菌增多，但乳酸（HLac）并未积累，推测其可能作为电子供体参与了碳链延长（CCE）过程，从而解释了丁酸比例升高、氢气产量增加的现象。乙醇的产生则与Bifidobacterium、Enterococcus等具有异型乳酸发酵能力的细菌相关联。

本研究通过精细调控厌氧发酵（AF）过程的pH值，成功演示了如何利用这一单一操作参数作为强有力的“方向盘”，来定向引导农业废弃物转化为不同的高附加值绿色化学品。研究得出的核心结论是：微小的pH变化足以重塑微生物群落的结构和功能，从而改变代谢流向。具体而言，在弱酸性环境（pH 6.2）下，系统倾向于建立一个以放线菌门和厚壁菌门为核心、高效协同的微生物群落，将废弃物中的碳水化合物最大程度地转化为以乙酸和己酸为主的短链脂肪酸（SCFAs）混合物，生物转化效率高达61.3%。而当环境酸度进一步提高（pH 5.5）时，系统则转向以碳水化合物发酵为主导的路径，并选择性地富集了乳酸菌（LAB）及相关微生物。这一转变不仅抑制了产甲烷过程，还意外地“激活”了乙醇和氢气的合成途径，同时通过潜在的碳链延长（CCE）机制促进了丁酸的积累。

这项研究的意义重大。首先，它超越了将厌氧发酵视为单一产酸或产甲烷技术的传统视角，揭示了其作为一种灵活、可调控的“微生物化工厂”的潜力。通过简单地调节pH，研究人员就能在同一套反应系统中，从相同的废弃物原料中“定制化”生产不同谱系的产物——无论是作为化工平台化合物的短链脂肪酸，还是作为清洁能源载体的氢气，或是具有广泛工业用途的燃料乙醇。这为农业废弃物的分级、多产品联产的生物精炼模式提供了直接的理论依据和实践方案。其次，研究证实了在开放混合培养体系（无需纯菌接种）中，通过环境参数（如pH）施压，可以自然地富集出具有特定功能（如产乙醇）的微生物群落，这避免了使用纯培养所需的高成本和无菌控制，大大提升了技术的经济可行性和实际应用潜力。总之，该工作不仅深化了对厌氧发酵微生物生态学机制的理解，更为开发以废弃物为原料、以pH为调控核心的下一代绿色生物制造工艺铺平了道路。