关于食品废物在试点规模厌氧消化过程中从自发失败到成功的转变的机制性见解：挥发性脂肪酸和微生物群落动态的作用

《Environmental Research》：Mechanistic insights into the spontaneous failure-to-success transition in pilot-scale anaerobic digestion of food waste: Roles of volatile fatty acids and microbial community dynamics

厌氧消化系统在不同阶段因挥发性脂肪酸（VFAs）积累和pH下降导致运行失败，微生物多样性变化与Firmicutes/Bacteroidota菌属相对丰度动态相关，通过调整负荷率可实现系统恢复，最终稳定期产气效率达90 m3/t FW，Methanomassiliicoccus成为优势甲烷菌。

　　

宁 王 | 横 利 扬 | 顾 翼新 | 陈 昆东 | 熊 婷 | 王 徐 | 高 在赫 | 徐 奇勇

中国热带农业科学院环境与植物保护研究所热带生态循环农业重点实验室，海口市，中国571101

摘要

由于各种因素，食物垃圾（FW）的厌氧消化（AD）可能无法产生沼气。明确AD失败和恢复的机制对于维持稳定的AD系统至关重要。本研究在两个相同的试点规模反应器中，通过调整食物垃圾的负荷率，研究了FW AD的启动、失败、恢复和稳定阶段的潜在机制。结果表明，挥发性脂肪酸（VFAs）积累量超过了25,000 mg/L，pH值下降到大约7，这可能会抑制产甲烷菌的活性并导致AD失败。在失败阶段，微生物多样性减少；Firmicutes门的相对丰度（RA）下降，而Bacteroidota门的相对丰度增加。在恢复阶段，VFAs浓度降至大约10,000 mg/L，pH值升至7.71，为产甲烷菌创造了有利的环境。在恢复和稳定阶段，Firmicutes门的RA从27%增加到39%，Bacteroidota门的RA从39%减少到35%，沼气产量超过了90 m³/t FW。总体而言，Methanomassiliicoccus门的RA逐渐增加，成为负责CH₄生产的主要产甲烷菌。本研究为不同阶段的食物垃圾AD机制提供了见解，这将有助于管理工业规模的AD反应器。

引言

全球每年产生的食物垃圾（FW）量不断增加，全球FW产量已超过10亿吨（Agya, 2025; Gao et al., 2024）。目前的FW处理方法包括厌氧消化（AD）、堆肥、热解等（Kim et al., 2020; Qi et al., 2021; Yu et al., 2025）。目前，AD越来越多地被用来通过一系列生化反应将FW转化为沼气（Ning et al., 2024; Rey-Martínez et al., 2023; Zou et al., 2025）。由于产生的沼气可用于发电，而消化物可用作土壤改良剂（Wang et al., 2021; Yu et al., 2020）。然而，AD过程可能会失败（Li et al., 2022），这阻碍了有机废物的有效处理。因此，了解导致AD失败的原因及其相关参数变化对于为AD系统提供可靠的早期预警指标至关重要。

先前的研究表明，AD失败通常是由于挥发性脂肪酸（VFAs）的积累以及pH值的下降，这会抑制产甲烷菌的活性（Jiang et al., 2022b; Li et al., 2022; Liu et al., 2019）。例如，Zhang et al.（2025）报告称，在一个30升的反应器中，增加FW负荷率导致VFAs积累和pH值下降，从而减少了沼气产量。类似地，Bi et al.（2025）观察到，在一个10升的反应器中，过高的FW负荷率在中温条件下导致pH值下降和甲烷（CH₄）产量减少，同时Ruminococcus门的相对丰度（RA）增加。Hu et al.（2025）发现在一个5升的FW AD系统中，随着有机负荷率（OLR）的增加，Bacteroidetes和Synergistetes门的RA增加，导致沼气产量减少。然而，这些研究是在实验室规模反应器中进行的，其发现可能与工业规模反应器中的情况不同。由于实验室规模反应器体积较小，pH值、底物和微生物的均匀分布等参数更容易控制（Perman et al., 2024; Van Hulle et al., 2014）。总之，反应器的大小可能会影响AD的物理化学性质，从而影响微生物群落结构和产甲烷机制（Ma et al., 2023）。

为了恢复失败的AD系统，已在反应器中测试了各种添加剂，如铁基材料、生物炭和微量金属（Ambaye et al., 2021; Xu et al., 2020; Zhang et al., 2015）。例如，铁基材料可以增强微生物活性并调节微生物群落结构（Kong et al., 2021）。改善的微生物包括Pseudomonas和Methanobacterium属，增强了代谢平衡，促进了电子转移，减轻了抑制作用，从而提高了AD中的CH₄产量和过程稳定性（Yuan et al., 2020）。生物炭为微生物生长提供了较大的表面积，吸附了抑制剂，并促进了种间电子转移（DIET）（Saif et al., 2022; Sun et al., 2022; Zhao et al., 2024）。改善的微生物包括Syntrophobacter和Clostridia属等，加速了电子转移效率，提高了系统稳定性，最终提高了AD的性能（Zhao et al., 2024）。尽管这些研究在实验室规模反应器中验证了添加剂的功能，但由于所需数量庞大且成本高昂，将其应用于工业规模反应器往往不可行（Feng et al., 2026）。

此外，失败的AD系统有时可以在不添加任何添加剂的情况下自发恢复（Aboudi et al., 2015; Tiong et al., 2023），这比依赖补充措施更为实际。然而，关于试点规模或工业规模反应器中AD系统恢复机制的研究很少。直接在工业规模反应器中进行研究相对成本高昂且具有挑战性。因此，使用试点规模反应器不仅可以探索食物垃圾AD从失败到成功的机制，还可以为工业规模应用提供可靠的理论基础。

在这项研究中，使用了两个相同的试点规模反应器来研究在不同OLR下食物垃圾AD的启动、失败、恢复和稳定阶段的潜在机制。监测了沼气产量和成分，以评估AD过程的运行状态。还测量了液体参数，包括pH值、VFAs组成和浓度。此外，分析了微生物多样性和群落演替，以阐明潜在机制。预期这些结果将为AD过程中的失败和成功原因提供见解。

部分摘录

材料来源

本研究使用的食物垃圾（FW）来自中国佛山的一个两阶段AD工厂。在该工厂中，AD的第一阶段，液体浆料被送入酸化罐进行水解和酸化（1-3天）。在第二阶段，酸化的液体被泵入甲烷化罐进行沼气生产（大约40天）。对于这项试点规模研究，AD原料是2024年8月至10月期间从酸化罐获得的浆料

沼气产量和气体成分变化

图1显示了反应器1（R1）和2（R2）的沼气产量和成分变化。在整个AD过程中，R1和R2的沼气产量、CH₄和CO₂含量呈现出相似的趋势。在启动阶段（前25天），两个反应器的沼气产量逐渐增加到大约77-80 m³/t FW，如图1a,c所示。两个反应器中的CH₄含量在前5天从大约75%下降到50%。第5天后，CH₄含量增加到大约

结论

本研究调查了试点规模反应器中FW AD的四个阶段（启动、失败、恢复和稳定）。结果表明，VFAs的积累导致沼气产量失败，并引起了多个系统参数的变化。在恢复阶段，随着AD条件的改善，微生物多样性增加。Firmicutes、Bacteroidota和Thermotogota门被确定为将有机物降解为小分子的主要群体

CRediT作者贡献声明

顾 翼新：研究、数据整理。陈 昆东：软件。宁 王：撰写——初稿、软件、方法学、研究。横 利 扬：验证、软件、研究。徐 奇勇：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法学、资金获取、概念化。王 徐：方法学、研究。高 在赫：撰写——审稿与编辑、项目管理。熊 婷：资源、研究

未引用参考文献

Molino et al., 2013.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国佛山市Grandblue Environment Co., Ltd和区域创新系统与教育（RISE）计划的支持，该计划通过济州RISE中心实施，由教育部（MOE）和韩国济州特别自治省资助（2025-RISE-17-001）。