暗发酵废水混合培养光发酵联产氢气与共聚物的研究：进料模式的影响机制

本研究针对暗发酵废水(DFE)资源化难题，创新性地采用非无菌混合培养光发酵(PF)技术，系统比较了连续、半连续和批次进料模式对氢气与聚羟基脂肪酸酯(PHAs)联产效率的影响。结果表明，半连续模式可实现170 mL/gCOD的氢气产率（占沼气总量85%以上）和75%的COD去除率，并首次发现微生物群落能合成具有高附加值的共聚物PHBV（0.105 g/L），为生物精炼系统提供了兼具能源与材料产出的双赢策略。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，如何将有机废弃物转化为清洁能源和高值材料成为研究热点。传统暗发酵(DF)技术虽能利用工农业废水生产氢气，但其残余液体——暗发酵废水(DFE)仍含有大量挥发性脂肪酸(VFAs)，既造成污染又浪费资源。更棘手的是，当前生物制氢和生物可降解塑料（如聚羟基脂肪酸酯PHAs）的生产往往独立进行，导致成本居高不下。紫色非硫细菌(PNSB)因其独特的光发酵(PF)能力备受关注，既能将DFE中的VFAs转化为氢气，又能积累PHAs作为储能物质。然而，现有研究多局限于纯菌培养，对更接近实际应用的混合培养体系探索不足，尤其缺乏对PHAs化学组成的深入分析。

针对这些挑战，国外研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表论文，首次系统评估了非无菌混合培养PF在不同进料模式（连续、半连续、批次）下的氢气与PHAs联产性能，并创新性地解析了所产PHAs的分子结构。研究采用实验室规模光生物反应器，以市政有机废物DFE为底物，接种预先富集的混合菌群。通过监测氢气产量、COD去除率和生物量变化评估工艺效率，并运用核磁共振等技术表征PHAs组成。

结果与讨论

1. 进料模式优化：半连续操作展现出最佳性能，氢气产率达170 mL/g_COD，占沼气总量的85%以上，同时实现75%的COD去除。这种间歇性补充底物的方式可能更利于微生物代谢平衡。
2. 共聚物突破：突破性地发现混合菌群能合成聚羟基丁酸-羟基戊酸共聚物(PHBV)，而非单一PHB。半连续模式下PHBV产量达0.105 g/L（0.49 g_PHBV/g_TSS），其力学性能和降解性优于传统PHB，显著提升生物塑料的商业价值。
3. 工艺优势：非无菌混合培养省去了严格灭菌步骤，且对底物波动表现出更强适应性，为规模化应用奠定基础。

结论与意义
该研究首次证实混合培养PF可同步实现DFE高效处理、清洁能源生产和高值生物材料制造的三重目标。半连续模式被确立为最优方案，其高氢气产率与PHBV合成能力的结合，使生物精炼系统的经济性提升成为可能。特别是PHBV的发现填补了该领域知识空白，为后续技术经济评估提供了关键参数。这项成果不仅推动了废弃物资源化技术的集成创新，更为循环经济背景下"能源-材料"联产工艺的开发提供了范式。