在不同温度和固体负荷条件下，稻草与鸡粪进行厌氧共消化过程中，木质纤维素降解效率与微生物稳定性的解耦现象

《Biomacromolecules》：Decoupling of lignocellulose degradation efficiency and microbial stability during anaerobic co-digestion of rice straw and chicken manure under varying temperature and solid loading

厌氧共消化稻秆与鸡粪的效率受温度和固体负荷协同调控，热处理显著提升产甲烷及木质素降解，微生物群落结构由温度主导，固体负荷影响传质限制，提出热处理液相模式最优。

　　

Xianpu Zhu|Linze Shi|Weiguang Lv|Hanlin Zhang|Shuangxi Li|Naling Bai|Haiyun Zhang|Chenglong Xu|Juanqin Zhang

上海农业科学院生态环境保护研究所，中国上海，201403

摘要

稻草和鸡粪的厌氧共消化是农业废弃物利用的一条有前景的途径，然而木质纤维素的难降解性往往限制了其效率。此外，温度和固体负荷对生物降解途径的复杂耦合机制仍不清楚。本研究系统地研究了在不同总固体（TS）浓度（8.6%、12.9%、17.1%）下，批次中温系统和高温系统的共消化性能，以确定最佳操作平衡。结果表明，增加固体负荷通常可以提高甲烷产量。高温厌氧消化系统明显优于中温系统，使累计甲烷产量增加了28.2%–29.9%，同时缩短了滞后期。值得注意的是，木质素降解与腐殖酸生成之间存在显著的正相关关系，这种关系在很大程度上取决于消化浓度。较高的温度促进了液态和半固态消化过程中的腐殖化作用，但在干态消化过程中则没有这种效果，这可能是由于传质限制。因此，高温液态消化策略被证明是最有效的，其木质素去除率（40.9%）和腐殖酸生成量（281.7 mg/g TS）最高。高温系统富含Bacillota菌群，这是木质纤维素降解的关键驱动菌群，并通过上调的碳水化合物转化途径表现出明显的共生甲烷生成。微生物群落结构主要受温度和消化时间的影响，显示出对TS变化的适应性。这种解耦表明，在高固体含量的厌氧消化条件下，物理化学限制而非生物变化是限制木质纤维素利用的主要因素。然而，微生物微调带来的代谢差异仍需进一步验证。这些发现为优化木质纤维素生物质的利用提供了机制上的见解。

引言

木质纤维素生物质被认为是地球上最有效的碳循环载体，使其成为满足未来能源需求和保障安全的最优可再生和可持续选择[1]。作物秸秆是最重要的木质纤维素生物质资源之一，中国每年的产量约为8.6亿吨，占总农业生物质资源的68.3%[2,3]。尽管中国的秸秆综合利用率超过80%，但用于高价值能源应用的比重仍低于15%[4]。传统的处理方法主要是秸秆还田和焚烧，这可能导致严重的环境问题，如土地浪费和空气污染[5]。例如，Yan等人[6]的研究表明，露天焚烧会排放大气污染物，显著增加PM2.5和温室气体排放。虽然直接还田可以增加土壤有机质，但Liang等人[7]警告说，未经处理的秸秆会破坏土壤的碳氮比并加剧害虫侵扰。更严重的是，这些传统方法未能利用秸秆中的化学能，导致大量能源浪费。

厌氧消化是一种高效可靠的方法，可以将农业有机废弃物转化为可再生燃料气体和肥料[8]。这种转化不仅解决了废物处理问题，还为养分循环提供了优质的土壤改良剂。然而，由于秸秆的碳氮比过高[9]以及木质纤维素的难降解性[10]，单一消化面临诸多挑战。Pu?al等人[11]进一步研究表明，单一消化缺乏必要的微量元素和缓冲能力，使得厌氧系统容易酸化并失败。因此，将富含氮的鸡粪引入秸秆厌氧消化系统已成为提高缓冲能力和甲烷生成的有效策略[12,13]。Qiong Yu等人[15]报告称，将鸡粪与玉米秸秆共消化可使甲烷产量增加36%，最高达到332.7 mL/g VS。此外，Sunil P. Lohani等人[16]指出，鸡粪含有多种微生物群落和必需的微量元素，为产甲烷古菌提供了必要的生长因子。此外，粪便驱动的氨化作用可以断裂木质纤维素中的酯键[17]，这一过程受到温度和底物浓度等操作参数的显著影响。

此外，消化温度和固体负荷是主要控制参数，不仅影响反应动力学，还决定了优势微生物群落的结构。在高温下运行厌氧消化系统可以提高工艺效率。这得益于几个有利因素，包括有机底物的溶解度增加、化学和生化反应速率加快、液体相中气体溶解度降低、病原体失活增强以及气味产生减少[18]。另一方面，Yaqian[2,3]通过控制实验发现，将温度从35°C升高到55°C后，Firmicutes门的比例从24.9%增加到76.1%，使其成为绝对优势菌群。尽管高温厌氧消化具有明显优势，但大多数关于木质纤维素材料和动物粪便共消化的研究仍优先选择中温条件以保证系统稳定性[19]。然而，关于从中温向高温转变的知识仍存在空白。因此，同时优化甲烷产量和厌氧消化系统的稳定性至关重要。基于总固体（TS）的固体负荷是将厌氧消化系统分为液态（<10% TS）、半固态（10–15%）或固态（>15%）的关键操作变量[20]。高固体负荷可以提高体积生产力，但会限制传质；相反，低固体系统虽然改善了混合效果，但降低了反应器的利用率。关键的是，TS水平决定了微生物群落的结构。Abid等人[21]发现，10–15%的TS可以保证系统稳定性，而20%的TS会抑制醋酸裂解型甲烷生成菌，使途径转向氢营养型甲烷生成。尽管关于甲烷生成已有成熟的知识，但消化温度和固体负荷对秸秆-鸡粪共消化系统中木质素降解的协同效应仍需进一步探索。此外，消化温度和底物相互作用对共消化厌氧消化系统中代谢途径选择的调控机制也需要进一步研究。

因此，本研究建立了中温和高温批次组，系统评估了增加固体负荷对厌氧消化过程的影响。本研究的具体目标包括：（1）研究中温/高温条件及不同TS对沼气产量和木质素降解的影响；（2）阐明发酵温度和底物浓度对系统稳定性和鲁棒性的影响；（3）通过微生物群落分析评估甲烷生成活性和代谢途径的变化。

部分摘要

底物和接种物

使用稻草（RS）和鸡粪（CM）作为共消化底物，初始碳氮比标准化为21。稻草来自中国上海的一个农场，经过风干后用14目筛子粉碎和过滤。鸡粪来自中国上海的一个家庭农场，在去除羽毛和沙子后，在使用前储存在-20°C。接种物来自一个商业牛粪处理农场

消化温度和固体负荷对沼气产量和木质素降解的影响

厌氧消化温度控制着生化动力学、微生物生态和物理化学环境，是甲烷生成的关键因素。表2展示了通过改进的Gompertz方程拟合的动力学参数，图1显示了累积甲烷（a）和氢气（b）的产生曲线。所有相关系数均超过0.99，证实该模型准确描述了甲烷生成过程。基于TS含量的固体负荷是另一个关键因素

结论

本研究在中温和高温条件下评估了鸡粪和稻草的厌氧共消化，以阐明固体负荷对生物降解和微生物动态的耦合效应。结果表明，高温厌氧消化系统明显优于中温系统，使甲烷产量增加了28.2%–29.9%，同时缩短了滞后期。同时，高温条件上调了与糖酵解和有机酸降解相关的代谢途径

CRediT作者贡献声明

Xianpu Zhu：概念构思、数据管理、数据分析、资金获取、研究设计、方法论制定、项目管理、监督、初稿撰写、审稿与编辑。Linze Shi：概念构思、数据管理、数据分析。Weiguang Lv：概念构思、数据分析、资金获取、审稿与编辑。Hanlin Zhang：概念构思、数据分析、研究设计、审稿与编辑。Shuangxi Li：数据分析

致谢

本研究得到了中国上海农业科技创新计划（合同编号T2024311）、上海农业科学院杰出团队计划（项目编号Hu-Nong-Ke-Zhuo 2022 (008)）和上海农业科学院卓越团队（项目编号：HNKZ2025-027）的支持。数据在Majorbio I-Sanger Cloud平台（www.i-sanger.com）的免费在线平台上进行分析。