壳聚糖作为木质纤维素消化过程中的生物刺激剂：重塑微生物群落并提高细颗粒玉米秸秆的甲烷产量

《Biomass and Bioenergy》：Chitosan as a biostimulant in lignocellulosic digestion: Reshaping microbial consortia and boosting methane yield from fine-particle corn stalk

本研究通过梯度添加壳聚糖（0-50 mg/g TS）探究其对微米级玉米秸秆厌氧消化的影响，发现≤30 mg/g TS可显著提升甲烷产量（+43.4%）并重构菌群结构，促进水分转化及关键甲烷生成菌增殖，过量则抑制产气。

　　

罗琳娜|朱晓丽|董赫|赵雷|鲍莉|丁清华|徐明翰|孙勇|张红琼|曲静波

中国东北农业大学工程学院，哈尔滨，150030

摘要

本研究探讨了壳聚糖（CTS）在增强细颗粒玉米秸秆（FP-CS）厌氧消化（AD）中的作用。实验中设置了0–50 mg/g总固体（TS）的CTS梯度，并结合了多种表征方法，包括低频核磁共振、X射线衍射、高通量测序和代谢途径分析。结果表明，最佳CTS剂量（≤30 mg/g TS）能够产生协同效应。首先，CTS改变了FP-CS的物理结构，通过促进机械结合水和自由水之间的转化来提高保水能力和传质效率，表现为纤维素结晶度指数从25.92%降低到15.72%，机械结合水转化为自由水的比例增加了6.90%–14.14%。其次，CTS通过选择性抑制水解酸生成菌（如Bacillota丰度减少了19.10%–47.03%），同时富集了关键产甲烷菌（norank_c_Bathyarchaeia增加了1.67倍），并提升了辅酶F₄₂₀的活性。这些综合效应使代谢流向甲烷生成方向转变，在30 mg/g TS剂量下，累计产甲烷量达到369.82 ± 24.62 mL/g挥发性固体（VS），比对照组（257.90 ± 15.39 mL/g VS）增加了43.4%（p < 0.001）。值得注意的是，CTS存在一个狭窄的最佳剂量窗口，超过30 mg/g TS时由于微生物抑制作用，产甲烷量降低了8.20%。这些发现表明，CTS通过同时改变底物的物理化学性质和调控相关微生物群落来增强厌氧消化，为农业废弃物的利用提供了新的见解和实用策略。

引言

随着全球化石资源的持续消耗，生物质能源的开发和利用成为应对能源危机的关键策略。农业秸秆是全球最丰富的可再生生物质资源之一，年产量约为19亿吨[1]。作为世界上最大的农业生产国之一，中国2023年产生了8.6亿吨农作物秸秆，其中玉米秸秆（CS）约占3.3亿吨[2,3]。然而，大部分秸秆仍未得到充分利用，导致可再生资源的浪费和严重的环境污染[4]。厌氧消化（AD）可以通过微生物分解将CS转化为有价值的沼气（50%–70% CH₄）和高质量有机肥料[5], [6], [7]。然而，CS在AD中的高效转化受到其顽固的木质纤维素结构的严重阻碍。特别是木质素，由于其复杂的结构与纤维素和半纤维素交织在一起，形成了保护多糖的基质，阻碍了微生物的侵入和酶解[8]; [9]。

物理预处理方法（如机械粉碎）可以减小颗粒大小，增加比表面积，并破坏木质纤维素的结晶结构，从而改善微生物与底物的相互作用[10]。将颗粒大小降至3 mm以下有助于微生物定殖并提高降解效率[11,12]。然而，过度粉碎（<0.5 mm）会导致水解酸生成菌的不受控制增殖，进而导致挥发性脂肪酸（VFAs）的快速积累，这会抑制甲烷生成并降低整体工艺效率[13]; [14,15]。因此，需要新的策略来在减小颗粒大小的同时减轻VFAs的抑制作用。

壳聚糖（CTS）是一种从壳聚糖脱乙酰化得到的天然阳离子多糖（通常来源于甲壳类动物壳或真菌细胞壁），具有生物相容性、生物降解性和抗菌特性[16], [17], [18]。CTS作为一种低成本的可再生添加剂，在厌氧消化领域引起了关注。然而，关于其在AD中作用的现有研究结果存在矛盾：一些研究表明CTS通过促进污泥絮凝来抑制VFAs的产生[14,19]，而另一些研究则指出在高CTS浓度下VFAs生成增加[20]。此外，CTS缓解因细粉化CS（FP-CS，<0.5 mm）过度水解/酸化引起的酸抑制作用的潜力尚未得到探索。具体来说，目前尚不清楚CTS是否以及如何选择性地抑制酸生成菌的生长而不影响甲烷产量，以及这种调控背后的微生物机制是什么。

为填补这一知识空白，本研究利用高通量测序和代谢分析量化了CTS对沼气产量、水解/酸化动力学和水分状态的影响，并阐明了CTS诱导的微生物群落重构机制。这些研究共同为CTS增强FP-CS厌氧消化提供了新的见解。

部分内容摘要

底物和接种物

空气干燥的玉米秸秆来自中国黑龙江省的一个农场，粉碎至约0.1-0.3 mm的颗粒大小以提高均匀性。接种物来自一个15升的连续甲烷生产反应器，该反应器以牛粪和玉米秸秆为底物。接种物已在35°C ± 1°C的温度下驯化超过6个月，每个循环的水力停留时间为16天，在气体生产停止7天后使用。CTS购自北京Bio-Top

甲烷产量

图1展示了不同CTS浓度下FP-CS厌氧发酵过程中的日甲烷产量和累计甲烷产量。图1(a)显示了在不同CTS浓度下FP-CS AD的日甲烷产量曲线。适当添加CTS显著提高了甲烷产量，CTS30组的峰值甲烷产量比对照组高出47.84%。低浓度CTS处理组不仅增加了甲烷产量，还...

结论

本研究探讨了CTS在FP-CS厌氧消化中的调控作用及其相关机制。在最佳剂量30 mg/g TS下，CTS的添加使累计甲烷产量显著增加了43.4%，从257.9 ± 15.39 mL/g VS增加到369.82 ± 24.62 mL/g VS。CTS通过多种途径促进甲烷生成：一方面，它显著改善了发酵系统中的水分分布，促进了机械结合水向自由水的转化；

作者贡献声明

罗琳娜：概念设计、方法论、项目管理、初稿撰写。朱晓丽：概念设计、方法论、项目管理、初稿撰写。董赫：概念设计、数据整理、正式分析、方法论、软件应用、可视化、初稿撰写及审稿编辑。赵雷：方法论、可视化。鲍莉：方法论、可视化。丁清华：实验设计、监督。徐明翰：资金筹措，

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52306228）、山东省自然科学基金（ZR2021QB183）、黑龙江省自然科学基金（LH2021E005）、黑龙江省博士后研究启动基金（LBH-Q21067）、广东省新能源与可再生能源重点实验室（E239kf0501）以及黑龙江省“公开竞争机制”技术项目的资助。