《Journal of Environmental Management》：From purification to energy: Biogas and biomethane production from
Schoenoplectus americanus and a mixture of duckweed from phytoremediation of domestic wastewater
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厌氧消化是转化有机生物质为沼气的重要策略，本研究评估了水生植物Schoenoplectus americanus和鸭weed混合体经生活污水处理后的生化组成及生物化学甲烷潜力（BMP）。结果显示两种生物质BMP值相近（146±1.2和153.4±3.3 mL CH4·g-1 VS），但S. americanus生物降解性（55%）优于鸭weed混合体（40%）。这表明两者均可作为沼气原料，但存在生物降解性与操作便利性的权衡。
玛丽亚·R·克韦多（María R. Quevedo）|保拉·S·冈萨雷斯（Paola S. González）|赫尔曼·贝尔特纳（Germán Bertaina）|辛西亚·E·帕伊西奥（Cintia E. Paisio）
阿根廷里奥夸托国立大学（UNRC）精确科学与物理化学自然科学学院（FCEFQyN），环境生物技术与健康研究所（INBIAS）（隶属于CONICET）
摘要
厌氧消化（AD）是将有机生物质转化为沼气和甲烷的一种有前景的策略。在这一背景下，家庭废水植物修复后产生的植物生物质为综合废物管理和能源回收提供了机会。本研究评估了Schoenoplectus americanus以及用于家庭废水植物修复后的浮萍混合物（Lemna gibba、L. minuta和Wolffia columbiana）的生化组成和生化甲烷潜力（BMP）。通过批量厌氧消化实验测定了BMP值。Schoenoplectus americanus的碳水化合物含量较高（干重占比71%），而浮萍混合物的蛋白质含量较高（干重占比58%）。厌氧消化过程持续进行，直至每种底物达到稳定的甲烷产量。Schoenoplectus americanus和浮萍混合物的BMP值分别为146 ± 1.2 mLCH4 g?1和153.4 ± 3.3 mLCH4 g?1。然而，Schoenoplectus americanus的生物降解性（55%）高于浮萍混合物（40%）。这些结果表明，在所采用的实验条件和生物质制备条件下，这两种生物质都具有作为沼气和甲烷生产原料的潜力，但在生物降解性和操作优势（如快速生长和持续生物质供应）之间存在权衡。
引言
管理家庭和分散式废水处理湿地中产生的大型植物生物质是一个重要的挑战。基于大型植物的废水处理系统并非独立解决方案，而是综合废水管理策略中的特定低能耗组成部分。收割生物质不仅有助于防止床层饱和并确保适当的水力性能，还能避免老化生物质的积累。先前的研究表明，生物质在处理湿地中的老化和原位分解会增加有机负荷，从而降低出水质量（Thakur等人，2023年）。ávila等人（2017年）的研究表明，Phragmites属植物的老化使废水中的有机物浓度增加了96%，降低了去除效率。在这方面，这种生物质在循环经济框架下具有转化成各种增值产品（如生物炭、生物吸附剂或生物燃料）的潜力，有助于环境可持续性和资源的有效利用。生化组成，尤其是碳水化合物、脂质和蛋白质的比例，是决定生物质利用方式的关键因素（Channi，2024年）。
特别是，通过厌氧消化（AD）过程从植物生物质中生产沼气是缓解全球能源危机和促进可再生能源的一个有前景的替代方案。AD是一种生物技术过程，利用生物反应器和产甲烷微生物的协同作用将有机物转化为沼气（Ao等人，2024年）。该过程的效率通过测定理论（TBMP）和实验（EBMP）生化甲烷潜力来评估（Bosshardt和Stevenazzi，2017年；García Páez，2017年）。这些指标对于优化沼气生产至关重要，可以比较不同有机材料的性能，并确定是否需要特定的预处理（Cabrita和Santos，2023年）。
TBMP通常用于根据生物质的生化组成估算其最大甲烷产量。然而，它代表了一个理想化的值，没有考虑生物限制、底物的可获取性或厌氧消化过程中可能出现的潜在抑制效应。因此，需要通过EBMP实验在受控厌氧条件下评估甲烷产量。TBMP和EBMP的比较有助于估算生物降解性（BI），从而提供有关有机物有效转化为甲烷程度的宝贵信息（Llanos-Lizcano等人，2024年）。在此背景下，综合评估TBMP、EBMP和生物降解性对于评估家庭废水植物修复后产生的大型植物生物质作为厌氧消化原料的适用性尤为重要（Nielfa等人，2015年；Jingura和Kamusoko，2017年）。
我们小组之前的研究证明了Schoenoplectus americanus和浮萍混合物（Lemna gibba、L. minuta和Wolffia columbiana）在体外规模和户外中试条件下的家庭废水处理效果（Quevedo等人，2024a；Quevedo等人，2024b；Quevedo等人，2026年）。Schoenoplectus americanus在去除有机物、营养物质和悬浮固体方面表现出高效率，而基于浮萍的系统在营养物质吸收和生物质生产力方面尤为有效。这两种方法不仅将出水质量提升到环境安全水平——显著降低了常规物理化学参数（如化学需氧量（COD）、营养物质和固体），还产生了具有后续增值潜力的大量生物质。
尽管关于大型植物厌氧消化的文献越来越多，但大多数研究集中在栽培或收割的生物质上，而没有明确关联到废水植物修复过程。相比之下，关于家庭废水处理后获得的大型植物生物质的产甲烷性能的信息仍然有限，特别是对于Schoenoplectus americanus和浮萍混合物等特定物种。此外，将基于COD的理论生化甲烷潜力与BMP实验和生物降解性进行比较的研究仍然很少。解决这些问题对于评估植物修复生物质在综合废水管理策略中的实际能源回收潜力至关重要。
因此，本研究的目的是评估Schoenoplectus americanus和家庭废水植物修复后获得的浮萍混合物的生化组成，并评估其理论和实验生化甲烷潜力。通过比较TBMP、EBMP和生物降解性，本研究旨在评估这些大型植物生物质作为厌氧消化和沼气生产原料的适用性。
部分内容摘录
所用生物质的生化组成测定及其潜在命运的估算
首先，进行了生化组成分析，以评估生物质的潜在应用价值。为此，收集了来自中试规模家庭废水处理试验的植物材料。
用于厌氧消化实验的生物质来自Quevedo María等人（2026年）描述的户外中试规模的家庭废水处理试验。每种处理方法对应的生物质均被收集
所用生物质的生化组成测定及其潜在命运的估算
分析了Schoenoplectus americanus和浮萍混合物的生化组成，以支持对其厌氧消化性能的解释。
图1显示了家庭废水处理后S. americanus和浮萍混合物的生化组成（以生物燃料生产为背景表示的碳水化合物、蛋白质和脂质，占干重的百分比）。在S. americanus中，碳水化合物占主导地位，占总生物量的71%
结论
S. americanus和浮萍表现出不同的生化组成，前者碳水化合物含量较高，后者蛋白质含量较高。这些组成差异为观察到的厌氧消化性能提供了机制解释，并有助于解释本研究中理论和实验甲烷产量之间的差异。由于缺乏灰分和纤维部分的测量数据，无法实现完全的质量闭合和直接比较
CRediT作者贡献声明
玛丽亚·R·克韦多（María R. Quevedo）：撰写——初稿、方法学设计、研究实施、数据分析、概念化。保拉·S·冈萨雷斯（Paola S. González）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金筹集。赫尔曼·贝尔特纳（Germán Bertaina）：软件使用、资源管理、项目协调、研究实施。辛西亚·E·帕伊西奥（Cintia E. Paisio）：撰写——审阅与编辑、数据可视化、验证、监督、软件使用、资源协调、项目管理、研究实施、资金筹集，
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本作品时，作者使用ChatGPT来完善语言表达、确保语法正确性并提高可读性。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。
资金支持
本工作得到了CONICET（阿根廷国家科学技术研究委员会）和PPI（SECyT-UNRC）的支持。保拉·S·冈萨雷斯和辛西亚·E·帕伊西奥是CONICET的研究人员。玛丽亚·R·克韦多获得了CONICET的博士奖学金。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢他们的贡献，同时感谢TECNORED ENERGíA S.A.的技术支持。也感谢CONICET（阿根廷国家科学技术研究委员会）和UNRC（里奥夸托国立大学的财政支持。
