通过合成微生物群落，在碱性石灰泥辅助的厌氧共消化过程中打破酸化-氨抑制循环

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Breaking Acidification-Ammonia Inhibition Cycle in Anaerobic Co-Digestion with Alkaline Lime Mud via Synthetic Microbial Consortium

生物强化协同机制缓解碱处理共消化中的酸化-氨抑制循环，通过合成微生物群落（CSMC）调控菌群结构，稳定pH并降低游离氨及挥发性脂肪酸峰值，显著提升甲烷产量。

　　

刘林培|任尧|陈晓茹|王俊|黄玉玲|张攀|朱琪莉|秦汉|谭芙蓉|何明雄|庄勇

生物质能源技术研究中心，农村可再生能源开发与应用重点实验室（农业农村部），农业农村部沼气研究所，中国成都610041

摘要

在厌氧共消化（AcoD）过程中，使用碱性石灰泥沉淀物（LMP）来缓解酸化作用，却无意中加剧了氨的抑制作用，从而限制了系统的启动效率和甲烷产量。生物强化通常被认为是一种提高AcoD性能的有效策略，但其在碱性LMP改良的AcoD过程中同时克服酸化和氨抑制双重挑战的作用，尤其是在初始阶段，目前仍了解不足。在这项研究中，我们首次采用了一种靶向的生物强化方法，在碱性LMP改良的AcoD初始阶段使用了一种纤维素分解合成微生物联合体（CSMC）。研究结果表明，经过CSMC生物强化的反应器在第5天时达到了每日甲烷产量（DMP）的峰值，为50.16 mL·g-VS^-1·d^-1，并且累计甲烷产量（CMY）增加了35.02%。值得注意的是，CSMC生物强化有效地调节了抑制循环，表现为游离氨氮（FAN）和挥发性脂肪酸（VFAs）的峰值最低，同时pH值稳定在7.5。进一步分析微生物群落发现，关键共生细菌（如Synergistota、Desulfobacterota和Patescibacteria）、广谱降解真菌（如Aspergillus）、以及产氢和产乙酸甲烷菌（如Methanobacterium、Methanoculleus和Bathyarchaeia）得到了特异性富集，形成了一个协同联盟，增强了物种间的共生关系和甲烷生成的韧性。总体而言，本研究提出了一种利用合成微生物联合体（SMCs）来打破酸化-氨抑制循环的新策略，突显了微生物协同强化在提高AcoD系统稳定性和性能方面的关键作用，这一贡献与工业废物管理中的循环经济目标是一致的。

引言

将农业废弃物与碱性工业副产物进行厌氧共消化（AcoD）已成为一种可持续策略，旨在提高沼气产量并减轻废物污染[1]、[2]、[3]。石灰泥沉淀物（LMP）是一种富含CaCO3的工业副产物，被广泛用作碱性添加剂，以缓解酸化并促进有机废弃物（如食物废弃物、污泥）的木质纤维素降解[4]、[5]。然而，LMP同时具有pH缓冲剂和氨源的双重作用，这导致了一个悖论：虽然它能有效中和酸化，但其碱性和高氨含量又加剧了氨的抑制作用，这种现象被称为酸化-氨抑制循环（AAIC）[6]、[7]、[8]。例如，LMP改良后食物废弃物的甲烷产量增加了272.8 mL/g-VS[5]，但出现了较长的滞后阶段（3.84天），最终pH值升高（8.4），使得NH4+/NH3平衡偏向有毒的游离氨氮（FAN），从而导致氨的抑制并抑制了甲烷生成菌[9]、[10]。此外，碱性LMP改良缓冲系统的形成和功能虽然是一种常见现象，但其背后的机制在之前的厌氧消化研究中仍不甚明确[11]。 许多策略，如添加吸收剂、稀释原料以及调节反应器pH值或温度，已被证明可以有效缓解酸化-氨抑制[12]、[13]、[14]、[15]。然而，这些方法会增加运营成本，降低了沼气厂的经济可行性。近年来，通过整合具有协同代谢能力的功能性联合体来“生物强化”以打破AAIC，标志着碱性AcoD系统的一个范式转变[16]、[17]。例如，一种包含四种菌株的生物强化联合体（Coprothermobacter、Thermacetogenium、Methanothermobacter和Methanosarcina）在高温消化条件下减轻了乙酸和铵的共抑制作用，在高VFAs/NH3-N压力下甲烷产量提高了49.5%~702%，这得益于Coprothermobacter介导的共生级联反应和产氢甲烷途径[18]。同样，一种合成联合体（包括产酸菌（JAAYGG01 sp.、DTU014 sp.）、酸化剂（DTU015 sp.、JAAYLO01 sp.）和产氢甲烷菌（Methanosarcina mazei、Methanoculleus）通过优化产酸-产甲烷耦合和上调代谢途径（如乙酸激酶活性），在高压氨条件下甲烷产量提高了21.10%[19]。此外，一项补充性研究将耐氨联合体（Syntrophomonas、Syntrophobacter、Methanoculleus）与椰壳生物炭结合，创建了一个载体辅助系统，在高压氨条件下10天内恢复了失灵的消化器，并通过增强直接物种间电子转移（DIET）使甲烷回收率提高了7.5%[20]。为了解决食物废弃物和园林废弃物共消化中的AAIC问题，构建了一种包含Methanoculleus和Defluviitoga（水解细菌）的合成联合体，优化了共消化比例为80:20（食物废弃物：园林废弃物），显著提高了乙酸（40%至70%）和丙酸（30%至60%）的转化率，降低了总氨氮（TAN）27%（从5200 mg/L降至3800 mg/L），并使甲烷产量提高了68%[21]。此外，宏基因组分析表明，这两种菌株之间的协同作用通过促进“多糖-单糖-乙酸-甲烷”的代谢流动，缓解了酸化-氨抑制。这些研究共同强调了生物强化联合体在稳定碱性多底物共消化系统方面的潜力，通过协调VFAs代谢和氨耐受性来实现这一目标。随着工业应用的验证，这一策略也为高效的废物转化为能源提供了可行的解决方案。 尽管合成微生物联合体（SMCs）作为解决AcoD过程中AAIC问题的目标生物强化策略具有巨大的应用潜力，但它们在碱性LMP改良的AcoD系统中的应用和机制尚未得到研究。因此，本研究的目标是：（1）评估纤维素分解微生物联合体对碱性LMP改良AcoD系统甲烷生成启动效率的生物强化效果；（2）确定其在消除氨抑制和酸化之间的恶性循环中的作用；（3）识别在添加碱性LMP的AcoD初始阶段影响生物强化的关键微生物类群。为了实现这些目标，四个装有碱性LMP的连续搅拌罐反应器被CSMC进行了生物强化。通过甲烷生产效率、TAN、FAN和VFAs水平以及初始AcoD阶段的pH动态来评估生物反应器的性能。基于RNA的扩增子测序分析深入探讨了关键微生物类群对生物甲烷化的贡献。

材料收集与处理

高粱秸秆（SS）来自中国农业农村部沼气研究所所属的宜宾种植基地。秸秆被切成5-7厘米的段，以确保后续预处理和厌氧共消化的均匀性。由于半纤维素、纤维素和木质素之间的紧密关联，采用了蒸汽爆炸技术进行预处理[22]。为方便起见，将其简称为SE-SS。

甲烷生产效率

初始原料的特性对AcoD的设计和运行至关重要，从而显著影响启动效率、过程稳定性和沼气产量[39]。SE-SS的初始pH值为3.90，接种CSMC后升高至4.60（表1）。污泥的碱度较低，pH值为7.80，而LMP的初始pH值为9.90，具有很强的缓冲能力（表1）。LMP和SE-SS的TS含量均较高（分别为99.54%、98.04%和92.65%）。

结论

通过进行含有碱性LMP的AcoD测试，本研究探讨了外源CSMC接种的生物强化效果，并揭示了其在厌氧发酵系统初始阶段缓解酸化和氨抑制的协同机制。尽管通过pH稳定提高了甲烷生产效率，但添加碱性LMP也加剧了FAN引起的氨抑制。值得注意的是，在碱性AcoD中接种CSMC...

CRediT作者贡献声明

谭芙蓉：写作 – 审稿与编辑、方法学、研究、数据分析。秦汉：写作 – 审稿与编辑、方法学、研究、数据分析。庄勇：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源管理、项目协调、方法学、研究、资金获取、数据管理、概念构建。何明雄：写作 – 审稿与编辑、方法学、研究、资金获取、数据分析。

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益和个人关系：刘林培报告获得了四川省科技计划（2024YFHZ0201）的财政支持。庄勇获得了农业科技创新计划（ASTIP, CAAS-ZDRW202510）的财政支持。何明雄获得了四川省重点研发计划（2023YFN0025）的财政支持。

致谢

作者感谢四川省科技计划（2024YFHZ0201）、农业科技创新计划（ASTIP, CAAS-ZDRW202510）、四川省重点研发计划（2023YFN0025）、国家重点研发计划（2023YFE0104900）、四川省工商职业学院青年专项研究项目（2024NC08）以及黑龙江省“公开招标选拔最佳候选人”项目的财政支持。