《Bioresource Technology》：Boosting performance and unraveling DIET induction in food waste anaerobic digestion: The role of ethanol pre-fermentation across solids loading gradients
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本研究系统比较了乙醇预处理（EP）在不同总固体（5%、15%、20%）条件下对食品 waste 厌氧消化效能和机制的影响。结果表明，EP增效机制随固体浓度变化：低浓度下优化发酵途径和传质，高浓度时通过富集电活性微生物激活DIET途径克服传质限制，首次揭示固体浓度是EP机制的关键参数。
黄家琪|李磊|陈彦云|叶文杰|韩琳佩|刘永利|徐云|王晓明
教育部三峡水库区域生态环境重点实验室，重庆大学，重庆400045，中国
摘要
食物垃圾的厌氧消化容易发生酸化，其处理过程涵盖了从湿法到干法的广泛浓度范围。为了研究在不同总固体（TS）浓度下乙醇预处理（EP）的增强效果和机制，本研究系统地比较了其在湿法（TS 5%）、半干法（TS 15%）和干法（TS 20%）系统中的表现。结果表明，EP的增强效果和机制高度依赖于TS浓度。在TS 15%的半干法系统中，EP使甲烷产量显著增加了1514%，成功恢复了处于崩溃边缘的系统的稳定性。机制研究表明，EP的作用方式存在根本差异：在低固体浓度（TS 5%）下，稳定性的提高主要源于发酵途径的优化和有利的传质条件；在较高固体浓度（TS 15%和20%）下，所有物理化学数据、热力学分析以及微生物群落的变化支持了一个合理的假设：EP富集的电活性功能微生物（如Petrimonas、Syntrophomonas和Methanosarcina）可能激活了直接种间电子转移（DIET）途径，通过高效的合作网络有效克服了传质限制。本研究首次揭示了固体浓度是决定EP增强机制的关键参数，挑战了对其普遍作用方式的传统理解。它为精确优化不同固体浓度有机垃圾的处理过程提供了新的理论框架。
引言
食物垃圾（FW）产量的持续增加给城市环境卫生带来了重大挑战（Zhao等人，2024a）。由于其稳定FW和以沼气形式回收能量的有效性，厌氧消化（AD）技术已被广泛用于FW处理（Peng等人，2023）。在各种方法中，湿法消化技术（总固体（TS）含量<10%）已成为主导工艺，这归功于其优越的混合能力和操作稳定性。然而，随着中国垃圾分类政策的推进，FW的固体含量显著增加，导致人们对干法（TS 20%）和半干法（TS 15%）AD工艺的兴趣增加（Li等人，2022a）。较高的固体含量导致高体积负荷，加上FW中易降解的有机物，显著增加了局部挥发性脂肪酸（VFAs）积累的风险（Zhang等人，2021）。酸化已成为阻碍高固体FW消化稳定运行的关键瓶颈（Zhao等人，2024a）。
为了解决工艺酸化问题，探索高效和稳定的增强策略已成为当前研究的重点。乙醇预处理（EP）提供了一个有前景的解决方案，因为它有望通过将易降解的碳水化合物转化为乙醇来缓解局部酸化并提高系统稳定性（Zhang等人，2024）。现有研究表明，乙醇作为一种中性中间体，可以有效缓冲pH值（Li等人，2022b）。其在标准热力学条件下的合作氧化途径具有显著优势（Feng等人，2024a），并可能促进直接种间电子转移（DIET）的建立（Li等人，2024），从而提高电子转移效率（Li等人，2022b）。现有研究主要集中在观察EP在传统湿法AD系统中的增强效果或使用模拟底物研究DIET的建立机制。然而，这些研究存在显著局限性。一方面，研究主要针对湿法AD系统，而EP在干法/半干法FW消化系统中的处理效果和工艺适用性——这些系统具有更大的传质挑战、更高的酸化风险和更大的实际意义——尚未得到充分探索。另一方面，更关键的是，当前的理解假设EP的作用机制相对普遍，忽略了其机制可能随TS浓度的变化而根本改变的可能性，而TS浓度是一个关键工艺参数。鉴于高固体FW消化过程的实际需求和现有的知识空白，现有文献存在显著不足。
基于此，本研究首次提出并验证了以下核心假设：EP对FW AD的增强机制不是静态的，而是高度依赖于系统的TS浓度。为了验证这一假设，我们系统地比较了EP在湿法（TS 5%）、半干法（TS 15%）和干法（TS 20%）条件下的效果和微观机制。我们不仅关注反应器的操作性能，还强调分析EP在不同固体含量环境中调节微生物生态功能的差异途径。特别是，通过将VFAs降解的热力学分析与宏基因组分析相结合，我们深入研究了EP如何有效缓解高固体环境中的酸化风险并提高系统气体生产效率。本研究旨在为高固体有机垃圾处理过程的精确优化提供新的理论框架和科学依据。
部分摘录
底物、接种物和EP微生物剂
本实验中使用的FW来自重庆大学的学生食堂。经过手动分选去除不可生物降解的杂质（如骨头和塑料）后，使用搅拌机将底物均匀化，然后储存在-20°C下。接种物来自重庆某污水处理厂处理活性污泥的消化器。为了提高其对FW的适应性，接种物在
EP处理显著提高了沼气生产性能和动力学
如图1a所示，在不同TS条件下，EP处理显著提高了FW AD过程中的沼气生产性能。值得注意的是，EP有效缓解了CK组在特定固体浓度下观察到的严重不稳定性。在具有挑战性的TS15%条件下，CK15最初仅产生少量沼气，随后完全停止，导致沼气生产完全停止。相比之下，EP15不仅成功启动了
结论
乙醇预处理是一种有效的策略，能够显著提高食物垃圾的AD性能。然而，其核心作用机制并非固定不变，而是高度依赖于系统的TS浓度。在5–20%的TS范围内，应用EP处理可以有效提高AD性能。值得注意的是，EP15组表现出最大的改进，甲烷产量比CK15组增加了1514%，有效
CRediT作者贡献声明
黄家琪：撰写——原始草稿、可视化、方法学、概念化。李磊：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取。陈彦云：研究、数据管理。叶文杰：研究。韩琳佩：研究。刘永利：研究。徐云：研究。王晓明：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（批准号：52470139）和重庆市自然科学基金（批准号：CSTB2024NSCQQCXMX0088）的支持。
