利用光辅助技术和适应血红素的菌种对酸性废渣进行厌氧消化：以木薯酒精发酵残渣为例的研究

《Biomass and Bioenergy》：Anaerobic digestion of acidic waste mash via light-assisted & hemin-acclimated inoculum: A case study of cassava alcohol stillage

利用光和血红素协同作用提升木薯酒精废液厌氧消化效率，5g/L血红素与光预处理协同可使甲烷产量提升>120%，有机碳降解率提高20.94%，酸化滞后期缩短80%，消化周期由28天缩短至14-16天。

　　

杨旺|董国|纪俊林|罗志汉|朱志成|侯瑞瑞|吴凯|杨红|姜金和|尹芳

云南师范大学能源与环境科学学院，昆明，650500，中国

摘要

木薯酒精蒸馏残渣是生物乙醇生产过程中产生的高浓度有机废水。其高有机负荷以及在厌氧消化（AD）过程中易积累挥发性脂肪酸的特性会显著抑制其降解效率。本研究引入了在光照条件下驯化的卟啉介导的接种物，以探讨光合菌群与产甲烷菌群在厌氧消化中的协同作用。初步实验中，使用不同浓度的血红素（2.5–7.5 g/L）对厌氧消化系统进行补充，以木薯酒精蒸馏残渣为底物。结果表明，甲烷（CH₄）产量提高了4.66%至17.49%。在添加5 g/L血红素并使用驯化接种物的条件下，甲烷产量增加了120%以上，总有机碳降解率提高了20.94%，酸化滞后阶段缩短了80%，消化周期从28天减少到14–16天。经过四个月的培养后，在血红素存在下引入光照驯化的接种物，发酵结束时产甲烷菌群得到显著富集。核心产甲烷古菌门Methanobacteriota的相对丰度在2.5 g/L、5 g/L和7.5 g/L处理组中分别达到了5.92%、10.12%和4.11%，超过了对照组的2.69%。此外，持久性微生物类群的比例从69.57%增加到约82%，表明通过光照和血红素的共同作用，负责厌氧消化的核心微生物组得到了选择性富集和稳定。研究结果证实，光照和血红素的预处理能有效提升木薯酒精蒸馏残渣的厌氧消化效率。

引言

木薯是全球三大块茎作物之一，在热带地区广泛种植。东南亚凭借有利的气候条件成为重要的木薯生产区，占全球产量的约23.54%[1]。随着木薯加工产业的快速发展，尤其是生物乙醇和混合酒精生产的扩张[2,3]，产生了大量高有机负荷的酒精蒸馏残渣。传统上这类残渣被视为环境污染源[4,5]，但实际上含有丰富的有机物质，具有显著的资源回收潜力[6]。近年来，包括新加坡和泰国在内的东南亚国家相继实施了碳税政策来调控碳排放[7]，从而加速了绿色发展的进程。厌氧消化（AD）不仅有助于实现中国的“碳达峰”和“碳中和”目标[8]，还加强了“一带一路”倡议框架内可再生能源利用的共同努力。

厌氧消化在自然碳循环中起着关键作用[9]。在复杂的生化过程中，多种微生物种群协同作用，促进复杂有机物的分解。厌氧消化系统被广泛用于有机废水处理[10]。多种因素影响系统的运行效率，其中底物特性尤为重要[11]。在酒精发酵过程中，酵母主要将淀粉转化为糖类，产生乙醇和二氧化碳。然而，废料中仍含有大量的复杂有机化合物，如纤维素、半纤维素、木质素、残留糖和有机酸，这些物质因挥发性脂肪酸（VFA）的积累而难以被有效降解[12]。同时，发酵过程中有机酸的积累会降低酒精蒸馏残渣的pH值，形成不利于厌氧消化系统稳定运行的酸性环境。

近期研究揭示了光照照射和光合细菌在提升厌氧消化性能中的协同作用。Saejung等人证明特定波长的光照可以调节微生物群落结构，从而显著提高厌氧消化效率[13]。Liu等人采用氮掺杂的碳量子点，在光照条件下使甲烷产量提高了89.8–96.5%[14]。为了缓解底物产生的酸积累带来的不利影响，本研究将Rhodopseudomonas（一种典型的紫色非硫光合细菌）引入厌氧消化系统[15]。该策略旨在通过优化微生物群落、促进代谢活动和促进种间电子传递来提升厌氧消化性能[16,17]。光合细菌广泛存在于静止的水生环境、饱和水土壤、沉积物和厌氧消化系统中[18]。紫色非硫细菌在厌氧条件下可以利用多种碳源进行自养或异养代谢[19]。作为典型的紫色非硫光合细菌Rhodopseudomonas可以促进乙酸的降解并减少酸的积累[15]。进一步的研究表明，PNSB在提升生物过程效率方面具有积极作用。Hülsen等人研究了PNSB生物质在“分离-释放-回收”概念下的厌氧消化情况，发现中温条件下可实现约55%的挥发性固体降解（VSD）和35%的氮溶解，甲烷产量为330 mL CH₄ g VS^?1[21]。Wada等人研究了在氮缺乏条件下使用PNSB（主要为Rhodopseudomonas）处理燃料合成过程废水，结果显示PNSB可去除超过70%的总有机碳（TOC）[22]。Zheng等人发现表达Fe-only氮酶的Rhodopseudomonas palustris能够同时将CO₂转化为甲烷（CH₄）并固定氮气，产生的甲烷足以支持共培养中的产甲烷细菌生长[23]。这一发现揭示了光合细菌通过生物途径生产甲烷的新途径，突显了Rhodopseudomonas在甲烷循环中的代谢多样性。

此外，先前的研究还表明，外源添加Rhodopseudomonas可以在光照和黑暗条件下均增加沼气产量。同时观察到光照强度与沼气产量之间存在正相关关系；光照能够改善优势产甲烷菌群的结构，有效缓解VFA引起的抑制作用[15]。

为了全面评估光照辅助厌氧消化与传统黑暗厌氧过程的降解效率，引入了卟啉大环化合物——这些具有独特亲光性质的分子结构能够高效捕获和传递光子。血红素是一种天然存在的无毒铁卟啉复合物[24]，是血红蛋白、细胞色素及相关生物分子的辅基。其中心铁离子的可逆氧化还原活性与卟啉环的π-共轭系统协同作用，使其成为有效的电子传递载体。研究表明血红素可促进细胞内的电子传递[25]，从而提高厌氧消化系统中微生物的代谢效率[26]。此外，血红素还被认为能通过电子传递过程实现更快的电子转移和更高效的生物转化[27]。因此，我们假设将光照引入厌氧消化系统可能促进光合细菌与血红素之间的多重协同效应，进一步增强光合细菌在厌氧消化中的促进作用。

目前关于卟啉化合物在厌氧消化中应用的研究仍处于早期阶段，尤其是在处理酸性有机废水（如木薯酒精蒸馏残渣）方面的研究较为有限。近期研究表明铁卟啉复合物在污泥预处理中的潜力。Ruan等人使用铁卟啉仿生酶预处理废水活性污泥，实现了65.3%的SCOD/TCOD比和38.4%的VSS减少率[30]；Li等人发现钠铁叶绿素（一种铁卟啉衍生物）与H₂O₂联合预处理可显著提高甲烷产量[31]。这些发现表明铁卟啉化合物能有效提升厌氧消化性能，但其在酸性有机废水（如木薯酒精蒸馏残渣）中的应用尚未得到充分探索。

尽管先前的研究证明了铁卟啉化合物在提升污泥水解和甲烷产量方面的潜力[30,31]，但其应用主要限于中性pH条件下的废水活性污泥。铁卟啉化合物在酸性有机废水（如pH约为4.5的木薯酒精蒸馏残渣）中的效果及其与光照的协同作用仍不明确。此外，血红素在酸性条件下促进电子传递的作用也未得到系统研究。因此，本研究通过浓度梯度和接种物驯化实验系统研究了木薯酒精蒸馏残渣的厌氧消化效果，重点探讨光照和血红素在酸性条件下促进电子传递的协同机制。

此外，研究结果表明光照照射增强了卟啉化合物与光合细菌之间的协同作用。这些发现为高效有机废物处理技术的发展提供了理论基础和实践指导。

材料与方法

本研究采用两步实验策略，第二步实验基于第一步实验的结果进行了优化和改进。在第一阶段研究中，我们考察了不同血红素剂量对厌氧消化的影响，随后设计了第二阶段实验，研究光照-血红素共同驯化的接种物与外加卟啉的协同效应。

底物和接种物特性

实验所用木薯酒精蒸馏残渣的总固体（TS）含量为15.72%，挥发性固体（VS）含量为92.46%，pH值为4.55。A组接种物的TS含量为4.54%，VS含量为53.62%，pH值为6.87；B组接种物的TS含量为4.35%，VS含量为53.62%，pH值为7.02。

血红素添加对甲烷（CH₄）和挥发性脂肪酸（VFA）产量的影响

外加血红素不仅缩短了反应滞后阶段，还影响了厌氧消化系统中的产甲烷过程

α多样性及短暂、间歇性和持久性物种分布模式的分析

Ace和Chao1值是基于丰度数据的物种丰富度估计指标，用于估算总体群落丰富度[52]；Shannon指数和Simpson指数则是综合考虑物种丰富度和均匀度的多样性指标[53]。较高的Shannon指数和较低的Simpson指数表示更高的群落多样性和更均匀的物种分布。Sobs表示样本中直接观察到的操作分类单元（OTU）或物种的数量

光照和血红素在提升厌氧消化中的协同机制

本研究证明，长期光照和血红素共同驯化的接种物能够协同缓解酸性底物厌氧消化过程中的酸抑制，从而提升消化效率。采用上述驯化策略并添加适量的外源血红素（5 g/L）后，消化器性能显著提升：甲烷产量增加了110%以上，总有机碳（TOC）降解率提高了20%以上

CRediT作者贡献声明

杨旺：撰写——审稿与编辑，初稿撰写。董国：数据整理，概念构思。纪俊林：实验研究，数据分析。罗志汉：数据分析，数据整理。朱志成：软件开发。侯瑞瑞：资源获取，概念构思。吴凯：数据可视化。杨红：项目监督。姜金和：项目管理，概念构思。尹芳：撰写——审稿与编辑，资金筹集。

资助

本研究得到了云南省农村能源工程与云南沼气工程技术研究中心的省级重点实验室的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。