《Environmental Research》：Unveiling the synergistic mechanisms between thermophilic bacteria and magnetic granular activated carbon in enhancing solubilization and acidogenesis of mariculture solid wastes
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水产养殖固体废物（MSW）处理中，高温菌（TB）联合磁颗粒活性炭（MAC）预处理可显著提升短链脂肪酸（SCFAs）产量至1180.2 mg/L，并通过增强微生物活性、酶解效率及电子传递实现有机质溶出与酸化协同优化。
王腾飞|邵一涵|朱志勇|王虎涛|赵建伟|赵阳国|高梦春|金春吉|郭亮
中国海洋大学环境科学与工程学院，青岛，266100，中国
摘要
厌氧发酵结合嗜热细菌（TB）预处理是一种可行且环保的废物处理和资源回收方法。然而，海水养殖固体废物（MSW）的高盐度和复杂的结构阻碍了整体的溶解性和酸生成效率。本研究探讨了在基于TB的预处理过程中添加磁性颗粒活性炭（MAC）以促进MSW溶解和短链脂肪酸（SCFAs）积累的可行性和潜在机制。结果表明，与对照组相比，添加1 g/L MAC后，SCFAs的最大产量从419.7 mg/L增加到1180.2 mg/L。TB + MAC预处理增强了底物基质的破坏，提高了有机物的生物降解性。流式细胞仪和酶分析显示，添加1 g/L MAC后，活的TB细胞比例增加到34.4%，蛋白酶和α-葡萄糖苷酶的活性分别提高了22.0%和61.0%。电化学分析进一步证实，TB + MAC预处理有效释放了电子载体，并加速了细胞内和细胞间的电子转移。微生物群落分析表明，TB + MAC预处理选择性地富集了与SCFAs生物合成相关的酸生成细菌。本研究提出了一种策略，以缓解MSW处理中的水解和酸生成限制。
引言
全球对海产品的需求不断增加，推动了海水养殖业的发展（Gentry等人，2023年）。海水养殖产生了高浓度的有机废物，主要是海水养殖固体废物（MSW），其中主要包括未食用的饲料和鱼粪（Quinn等人，2016年；Wang等人，2025年）。不当的MSW管理会降低水产养殖水质和海产品的质量，造成经济负担和环境问题（Lothmann & Sewilam，2022年）。考虑到MSW中丰富的生物能源和生物燃料，其高效回收代表了实现可持续发展的绿色低碳途径（Jin等人，2022年）。在各种有机废物增值技术中，厌氧发酵作为一种碳中性方法脱颖而出，能够将有机底物转化为高价值产品，尤其是短链脂肪酸（SCFAs）（Liang等人，2024年）。来自MSW有机部分的SCFAs可以作为生物脱氮的有效碳源，从而降低废水处理的运营成本（Liu等人，2020年）。此外，高产量的SCFAs可以通过作为生产增值产品（包括聚羟基烷酸酯（PHAs）和中链脂肪酸（Zhang等人，2024b）的原料来提高经济可行性。然而，MSW复杂的成分和较差的生物可利用性限制了其分解和溶解（Liu等人，2025年）。因此，开发经济高效且环保的MSW处理和资源回收技术至关重要。
由于水解通常是限速步骤，因此研究了多种预处理技术以加速这一过程，从而促进资源回收和再利用（Cao等人，2025年）。这些方法包括物理方法（如热处理、超声波处理、电分解）、化学处理（如酸、碱、臭氧、游离氨和亚硝酸盐）以及生物过程（如蛋白酶、溶菌酶）（Zhou等人，2024年）。在这些方法中，嗜热细菌（TB）预处理因其经济可行性和最小的环境影响而受到越来越多的关注（Gao等人，2020年）。TB分泌耐热的胞外酶，如蛋白酶和α-葡萄糖苷酶，这些酶可以破坏固体废物基质，从而提高有机物的溶解性和释放。在之前的研究中，将一级污泥和二级污泥以1:3的比例混合后进行TB预处理，悬浮固体（SS）和挥发性悬浮固体（VSS）的最大减少量分别为27.2%和34.3%（Sun等人，2021年）。然而，高盐度、较高的悬浮固体含量和残留的化学物质会创造不利条件，抑制水解活性并导致细胞质壁分离，从而降低整体预处理效率（Wang等人，2022年）。鉴于上述情况，联合预处理是一种通过协同效应提高MSW溶解性和酸生成的有效策略。
值得注意的是，颗粒活性炭（GAC）由于其高度发达的微孔结构、显著的化学稳定性和丰富的表面功能基团而被广泛用作吸附剂（Li等人，2024年）。最近的研究表明，GAC可以通过促进共生微生物之间的直接种间电子转移（DIET）和提高有机物转化效率来改善污泥的厌氧生物过程（Guo等人，2022年）。然而，即使作为电子传导剂，GAC也无法完全消除微生物细胞与电子受体之间的空间分离（Yang等人，2020年）。有趣的是，有证据表明，基于铁的物种不仅可以增强酶的活性和生物合成，还可以促进关键的电子转移过程（Zhang等人，2022年）。作为基于铁的物种家族的一员，Fe3O4因其低毒性、大的比表面积和优异的催化活性而被广泛认为适用于厌氧消化（Song等人，2019年）。与零价铁（ZVI）不同，Fe3O4主要通过促进DIET和修改微生物相互作用及酶介导的过程来间接增强水解和酸生成，这在有利条件下尤为明显（Giangeri等人，2023年；Wei等人，2018年）。因此，将Fe3O4结合到生物相容性和多孔的GAC中，可以进一步提高其比表面积和电子转移能力（Song等人，2019年；Xia等人，2021年）。在TB预处理系统中添加外源性导电材料具有多种有益效果：（i）作为载体富集微生物；（ii）提高微生物的水解酶活性；（iii）增强电子转移过程（Liu等人，2022年；Yan等人，2020年）。此外，将磁性颗粒加入活性炭中可以促进固液分离，从而降低下游分离成本。虽然预期磁性颗粒活性炭（MAC）在增强有机物释放和SCFAs生产方面的有效性，但关于MAC如何影响TB预处理及随后的酸生成发酵知之甚少。阐明TB和MAC之间的协同机制对于优化基于TB的预处理过程、提高酸生成发酵的效率以及增加TB预处理的实际可行性和经济价值至关重要。
本研究探讨了在基于TB的预处理过程中添加MAC促进MSW发酵期间SCFAs产生的可行性和潜在机制。通过不同MAC剂量与TB预处理结合时的SCFAs产量和有机物释放情况来评估其表现。为阐明潜在机制，研究了MSW的物理化学性质、TB的生理状态、有机物的生物降解性以及厌氧污泥系统的电化学行为。此外，还分析了不同预处理条件下微生物群落的变化。本研究首次提供了TB和MAC预处理之间合作的机制见解，并提出了一种克服MSW酸生成瓶颈的新策略。
部分摘录
接种源、MSW、TB和MAC
接种的污泥来自海泊河污水处理厂的厌氧消化单元，其中悬浮固体（SS）和挥发性悬浮固体（VSS）分别为20.22 g/L和10.04 g/L。MSW的主要成分如下：可溶性化学需氧量（SCOD）为366.1 mg/L，碳水化合物为74.0 mg/L，蛋白质为223.0 mg/L，悬浮固体（SS）为15.8 g/L，挥发性悬浮固体（VSS）为8.2 g/L，pH值为7.0，盐度为3.0%。用于海水养殖的饲料是影响MSW的主要因素
MAC的特性
GAC和MAC的表面形态和结构特征如图S1所示。原始GAC具有层次分明的孔网络和相对光滑的孔壁。沉积Fe3O4后，表面形态变得粗糙得多，并且形成了均匀覆盖GAC基底的丰富颗粒簇。MAC界面的结构架构形成了更有效的电子传输通道，从而增强了传导效率（Song等人，2019年）。
意义
有效利用MSW中的生物能源对于确保可持续发展至关重要。在本研究中，联合TB和MAC预处理有效促进了MSW的降解，增强了TB预处理的水解潜力，并改善了后续的厌氧发酵。基于上述结果，图中展示了从MSW中回收资源的联合预处理路径，该路径符合海水养殖业的闭环概念。
结论
本研究系统地研究了TB与MAC联合对MSW溶解性和酸生成的影响。MAC和TB的联合预处理选择性地富集了酸生成菌群（如Escherichia-Shigella和Bacteroides），并改善了群体层面的电子转移。结果，电子流向酸生成途径转移，增强了酸生成。此外，联合预处理显著促进了MSW的分解和颗粒破碎，释放量最高
CRediT作者贡献声明
邵一涵：方法学、调查、数据管理。王腾飞：撰写——初稿、方法学、调查、正式分析、数据管理。郭亮：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法学、资金获取、概念化。金春吉：资源协调。高梦春：资源协调。赵阳国：资源协调。赵建伟：资源协调。王虎涛：软件支持。朱志勇：调查、数据管理
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
郭亮报告称获得了中国国家自然科学基金的支持。郭亮还报告获得了山东省中小企业技术创新能力提升项目的支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益冲突
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：52270052）和山东省中小企业技术创新能力提升项目（项目编号：2025TSGCCZZB0598）的支持。
