《Processes》：Harnessing Oil-Contaminated Soil Microbiomes for Improved Anaerobic Digestion of Cow and Pig Manure
Morena India Mokoena,
Charles Rashama,
Rosina Nkuna and
Tonderayi Sylvester Matambo
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为应对畜禽粪便厌氧消化过程中因营养失衡、泡沫过多和工艺不稳定导致的产气效率低下问题，研究人员利用从石油污染土壤中筛选的微生物菌群及其无细胞提取物，开展了一项强化牛粪和猪粪产甲烷效能的专题研究。结果表明，添加菌群和提取物可使累计沼气产量分别提升至603.28 mL/gVS（牛粪）和627.5 mL/gVS（猪粪），生物甲烷产量增加30-50%，消化时间缩短5-6天，并提高了pH稳定性。泡沫减少效果呈底物特异性，提取物在猪粪中可降低泡沫高达60%，而菌群在牛粪中可降低达65%。该研究证实，利用烃类污染土壤中的微生物资源进行生物强化，是一种可显著提升粪便厌氧消化产甲烷效率、增强系统稳定性的环境可持续方法。
随着农业集约化发展，全球畜禽粪便产量巨大，如何高效、环保地处理这些有机废物，并从中回收能源，成为一个紧迫的课题。厌氧消化技术（Anaerobic Digestion, AD）可将粪便转化为可再生沼气，但实际应用中常遇“拦路虎”：牛粪碳氮比高、木质纤维素多，可能导致氮源不足；而猪粪蛋白含量高、碳氮比低，容易产生过量氨氮和酸，两者都会抑制微生物活性，降低甲烷产率。更令人头疼的是，消化过程中释放的蛋白质、脂质等表面活性物质，极易引发严重泡沫，不仅挤占反应器有效容积，干扰混合，还推高运营成本。为了破解这些瓶颈，寻找能提升微生物效率、改善底物降解性并抑制泡沫的创新方法，成为该领域的研究热点。
在此背景下，一项发表在《Processes》期刊上的研究另辟蹊径，将目光投向了看似不相干的石油污染土壤。以往研究表明，这些长期受烃类污染的土壤中，蕴藏着以假单胞菌（Pseudomonas）和芽孢杆菌（Bacillus）为主的独特微生物群落，它们拥有降解烃类和表面活性剂的基因“工具箱”。那么，能否将这些自然界中进化出的“清道夫”团队，请来处理粪便消化中的难题呢？本研究团队提出的核心假设是：利用从石油污染土壤中获得的、具有降解表面活性剂能力的微生物菌群及其无细胞提取物，对牛粪和猪粪的厌氧消化系统进行生物强化，可以差异化地提升甲烷产量、增强过程稳定性（pH）并减少泡沫，且效果因粪便底物类型而异。
为了验证这一假设，研究人员展开了一系列严谨的实验。他们收集了新鲜的牛粪和猪粪作为底物，并以一个正在运行的消化器（处理牛粪与其他有机废物的混合物）的消化液作为接种物。核心的生物强化剂来源于南非两个石油污染场地（Roodepoort和Midrand）的土壤，从中富集了能降解多种表面活性剂（如SDS、SLS、鼠李糖脂、Triton X-100）的微生物菌群，并制备了相应的无细胞提取物。整个厌氧消化实验在自动甲烷潜力测试系统（Automatic Methane Potential Test System, AMPTS II）中进行，持续30天，设置了包括对照组在内的六种处理。期间，他们系统监测了pH值、泡沫产生情况，并利用16S rRNA基因测序结合PICRUSt2功能预测，深入解析了微生物群落结构和功能潜力的变化。
本研究采用了几个关键的技术方法：1. 利用自动甲烷潜力测试系统（AMPTS II）进行长达30天的厌氧消化批次实验，精确测定累积沼气和甲烷产量。2. 通过对底物（牛粪、猪粪）和接种物进行理化性质分析（总固体、挥发性固体）和元素分析（CHNS），评估其基本特性。3. 从特征明确的石油污染土壤中富集、培养表面活性剂降解微生物菌群，并通过超声破碎、离心制备其无细胞提取物，作为两种不同形式的生物强化剂。4. 在消化过程中，系统监测反应体系的pH动态和泡沫生成（高度与稳定性）。5. 运用16S rRNA基因扩增子测序技术，结合生物信息学工具PICRUSt2，分析消化末期微生物群落结构演变及预测的代谢功能变化。
2.4. 近似的和最终的分析结果：对牛粪和猪粪的理化特性分析显示，两者在碳氮比等关键参数上存在差异，这为其在后续厌氧消化中表现出不同的行为和响应奠定了基础。
2.5. 基于最终分析的生物甲烷潜力测定：通过Buswell方程计算了两种粪便的理论甲烷潜力，为评估实际产甲烷效率提供了参考基准。
3.1. 生物甲烷和沼气生产：生物强化处理显著提升了沼气与甲烷产量。相较于对照，添加微生物菌群使牛粪的累计沼气产量从407.76 mL/gVS提升至603.28 mL/gVS，猪粪从403.82 mL/gVS提升至627.5 mL/gVS；生物甲烷产量增加了30-50%。同时，达到产气平台期的时间缩短了5-6天，表明反应动力学加快。
3.2. pH稳定性：所有生物强化处理均改善了消化系统的pH稳定性，缓冲了酸化或碱化波动，为产甲烷菌创造了更适宜的环境。
3.3. 泡沫减少：泡沫抑制效果具有底物特异性。在猪粪消化系统中，无细胞提取物的添加使泡沫减少了高达60%；而在牛粪系统中，则是添加微生物菌群的效果更佳，泡沫减少达65%。
3.4. 微生物群落分析：16S rRNA测序结果显示，生物强化处理改变了消化系统中的微生物群落结构。添加菌群或提取物后，发酵细菌和互营细菌（如狭义梭菌属 Clostridium sensu stricto 和Paludibacter）的相对丰度增加。PICRUSt2功能预测分析表明，与产甲烷相关的代谢途径（如四氢甲烷蝶呤S-甲基转移酶 tetrahydromethanopterin S-methyltransferase 途径）得到上调。这从微生物生态和功能层面解释了生物强化提升甲烷产量的内在机制。
4. 讨论：本研究证实了利用源自烃类污染环境的微生物资源进行生物强化，是一种有效提升畜禽粪便厌氧消化性能的策略。无论是活的微生物菌群还是其无细胞提取物，都能显著提高甲烷产率、加快反应速度、稳定pH并抑制泡沫，但具体效果取决于粪便底物的类型（牛粪或猪粪）和所采用的生物强化策略（菌群或提取物）。微生物菌群的作用可能涉及持续的微生物生长、适应和代谢活动，而无细胞提取物则提供了一次性的、浓缩的酶和辅因子，启动了关键的水解和发酵步骤。研究揭示的微生物群落演替（富集发酵和互营菌）和功能通路上调，为理解生物强化的作用机理提供了新见解。
5. 结论：本研究表明，从石油污染土壤中获得的、具有表面活性剂降解能力的微生物菌群及其无细胞提取物，能够作为高效的生物强化剂，用于提升牛粪和猪粪的厌氧消化性能。这种方法不仅能大幅提高甲烷产量和反应速率，还能有效改善系统稳定性并控制泡沫，且效果因底物和添加剂类型不同而呈现特异性。该研究为开发环境友好、基于微生物资源的废弃物增值和可再生能源生产技术提供了新的思路和实证依据，具有重要的应用潜力。
