《Clean Technologies》：Mesophilic Anaerobic Digestion of Municipal Sewage Sludge Under High Sodium Propionate Concentrations in Semi-Continuous Conditions: Inhibition and Microbial Community Shifts
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中间产物，尤其是挥发性脂肪酸（VFAs）如丙酸（HPr）或其解离形式的积累，在低浓度下即可抑制厌氧消化（AD）过程中的沼气生产。了解微生物对VFA抑制的响应有助于控制消化器。在本研究中，研究人员旨在通过鉴定微生物群落演替来确定丙酸钠（NaPr）如何抑制城市污水
中间产物，尤其是挥发性脂肪酸（VFAs）如丙酸（HPr）或其解离形式的积累，在低浓度下即可抑制厌氧消化（AD）过程中的沼气生产。了解微生物对VFA抑制的响应有助于控制消化器。在本研究中，研究人员旨在通过鉴定微生物群落演替来确定丙酸钠（NaPr）如何抑制城市污水污泥的AD。研究人员操作了四个5 L反应器，采用半连续模式处理污水污泥，然后加载不同水平的NaPr。反应器在37 °C下运行，具有两个水力停留时间。结果显示，NaPr加载量达到20.3 mmol·L?1时沼气生产没有明显抑制。然而，在81 mmol·L?1时观察到中度抑制，对应甲烷产量下降约10%，而在135.3 mmol·L?1时观察到甲烷产量下降约40%。测序分析显示，群落组成以Bacillota、Bacteroidota、Proteobacteria、Chloroflexi和Cloacimonadota为主，古菌类群主要为Halobacterota和Euryarchaeota。PERMANOVA分析表明，培养时间是群落结构的主要驱动因素，其次是NaPr浓度。升高的NaPr水平导致Methanothrix和Methanobrevibacter的丰度下降，并促进了独特的互营丙酸盐氧化菌（SPOB）。
**论文解读**
**研究背景与意义**
城市污水污泥是污水处理厂不可避免的副产品，其产量因人口增长和城市化而持续上升。传统的污泥处置方式（如填埋和焚烧）成本高昂且不符合循环经济理念。厌氧消化（AD）技术可将污泥中的有机质转化为沼气（生物能源）和消化液（生物肥料），是一种可持续的处理方式。然而，AD过程中中间产物——尤其是挥发性脂肪酸（VFAs）如丙酸（HPr）或其解离形式——的积累会抑制甲烷生成，导致系统不稳定。目前关于丙酸抑制阈值的报道存在矛盾，且对半连续条件下污水污泥AD中微生物群落响应的研究不足。为此，研究人员在《Clean Technologies》期刊发表论文，旨在明确中温半连续条件下丙酸钠（NaPr）对城市污水污泥AD的抑制浓度范围，并揭示伴随的微生物群落演替，为消化器的监测与优化提供科学依据。
**关键技术方法概述**
研究人员使用来自法国Seine Aval污水处理厂（SIAAP，Achères，Yvelines，France）的消化污泥（接种物）和未消化污泥（底物，包含初沉污泥和二沉污泥）。在四个5 L连续搅拌槽式反应器中，以半连续模式运行81天，水力停留时间（HRT）为20天。反应器在37 °C下操作，分别加载0、20.3、81和135.3 mmol·L
?1的NaPr（对应丙酸当量0、1.95、7.78、13 g·L
?1）。定期监测沼气产量、甲烷含量、VFA浓度、pH、总碱度（TAC）。通过16S rDNA宏条形码测序（V4-V5区）分析微生物群落，并使用PERMANOVA、主成分分析（PCA）和线性混合效应模型样条（LMMS）进行生物统计学处理。
**研究结果**
- **丙酸盐对VFA积累的影响**：通过持续测量VFA浓度发现，最高NaPr加载量（135.3 mmol·L
?1）的反应器R4在第二个HRT末期VFA积累超过4500 mg·L
?1，而低加载量（20.3 mmol·L
?1）的R2和对照组R1 VFA浓度稳定在低水平。停止投加NaPr并转为批式模式后，R4的VFA浓度下降，表明系统可部分恢复。
- **高丙酸盐负荷下的碱度与pH动态**：通过监测pH和碱度发现，尽管R4中VFA大量积累，但pH仍维持在AD适宜的范围内（7.0-8.1），这是因为NaPr解离产生的丙酸根具有缓冲作用。R4和R3的碱度显著升高（分别达7646和6592 mg·L
?1），这源于丙酸盐转化和添加物的中和效应。
- **丙酸盐对沼气与甲烷产量的影响**：通过计算理论甲烷产量并与实验值对比，发现R2（20.3 mmol·L
?1）的甲烷产量几乎未受抑制；R3（81 mmol·L
?1）甲烷产量下降约10%，属中度抑制；R4（135.3 mmol·L
?1）甲烷产量下降约40%，与VFA积累超过4500 mg·L
?1及VFA转化率从近100%骤降至42%相一致。转为批式模式后，R4在恢复期观察到甲烷产量峰值。
- **培养时间与NaPr浓度是反应器微生物群落结构的关键决定因素**：通过16S rDNA测序和PERMANOVA分析，培养时间解释了48%的群落变异（p=0.00），NaPr浓度解释了12%（p=0.03）。PCA显示时间先于NaPr浓度驱动样本分布，这可能与半连续模式下未消化污泥定期输入带来的微生物重塑有关。
- **NaPr添加导致产甲烷古菌相对丰度下降**：通过比较各反应器产甲烷菌丰度，发现R1中古菌丰度随时间增加，而R2-R4在NaPr添加后产甲烷古菌（特别是Methanothrix和Methanobrevibacter）丰度停滞或下降，且高浓度下更显著，与甲烷产量下降一致。恢复期R4中Methanosarcina显著增加，提示该属在系统恢复中发挥作用。
- **NaPr添加重塑了互营丙酸盐氧化菌（SPOB）种群**：通过检测SPOB相关类群发现，不同SPOB表现出对NaPr浓度的差异化响应：Candidatus Caldatribacterium和Prolixibacteraceae在低浓度下富集；Syntrophobacter和W5在中浓度下有利；Pelotomaculum和Cryptoanaerobacter在高浓度R3和R4中被选择。这些趋势在培养40天后变得明显。
- **其他互营菌和发酵菌也受NaPr影响**：通过LMMS结合相对丰度分析，Lentimicrobium（发酵菌）在中度NaPr浓度下丰度增加，而Sedimentibacter在高浓度下减少，反映了发酵途径的转变。
**讨论与结论**
研究证实，NaPr对AD性能的影响具有浓度依赖性。低加载量（20.3 mmol·L
?1）无抑制，中等加载量（81 mmol·L
?1）导致甲烷产量下降约10%，高加载量（135.3 mmol·L
?1）造成严重抑制（甲烷产量下降约40%），伴随VFA积累超过4500 mg·L
?1和微生物群落重构。微生物分析显示，产甲烷古菌（Methanothrix、Methanobrevibacter）丰度下降，而SPOB（特别是Pelotomaculum和Cryptoanaerobacter）在高丙酸盐胁迫下富集。恢复期Methanosarcina的增殖表明其可能作为抗逆关键属。这些发现强调了控制丙酸盐积累以维持稳定甲烷生成的重要性，且特定微生物种群可作为过程失衡的早期生物指标。
**研究结论翻译**：本研究表明，在中温半连续消化城市污水污泥过程中，丙酸钠（NaPr）对厌氧消化性能和微生物群落动态的影响具有浓度依赖性。中等丙酸盐加载（81 mmol NaPr·L
?1，7.78 g·L
?1）仅导致甲烷产量中度减少，无明显VFA积累。相比之下，高丙酸盐加载（135.3 mmol NaPr·L
?1，13 g·L
?1）引起严重抑制，甲烷产量下降约40%，VFA积累超过约4500 mg·L
?1。这些抑制条件伴随主要的微生物群落重构，包括产甲烷古菌（如Methanothrix和Methanobrevibacter）丰度下降，以及互营丙酸盐氧化菌（特别是Pelotomaculum和Cryptoanaerobacter）在高丙酸盐胁迫下富集。与先前在类似条件下进行的批式研究相比，本研究采用了更大规模（5 L）的半连续反应器，其操作条件更接近实际规模的厌氧消化器。该实验配置使得研究人员能够更全面地评估过程稳定性随时间的变化，并加强了丙酸盐对厌氧消化性能和微生物群落适应的浓度依赖性效应的验证。此外，在恢复期观察到的Methanosarcina增殖表明，该属可能在受压厌氧消化条件下维持产甲烷恢复力中发挥重要作用。总体而言，本研究通过在半连续操作下关联反应器性能、VFA积累和微生物群落动态，增进了对城市污水污泥厌氧消化过程中丙酸盐抑制的理解。研究结果进一步强调了控制丙酸盐积累以维持稳定甲烷生成的重要性，并提示特定微生物种群可作为过程失衡和恢复的潜在指标。
