微波预处理和发酵条件对小麦秸秆及马粪的产酸发酵过程具有影响

《Waste Management》：Microwave pretreatment and fermentation conditions affect acidogenic fermentation of wheat straw and horse manure

酸生成发酵中，微波预处理参数（200W，L/S=17，能量7Wh/gVS）可有效抑制甲烷生成（<0.001gCOD/gVS），提高可溶性糖和COD溶出量（44%和58%），使总代谢物产量达0.134±0.029gCOD/gVS。值得注意的是，当挥发性固体浓度从14g/L增至28g/L时，丁酸产量增长4倍（0.038±0.008 vs 0.007±0.002gCOD/gVS），且微波预处理对代谢物谱的影响显著优于传统热处理。研究证实，温和的微波预处理结合高浓度马粪（28gVS/L）可优化发酵体系，实现以丁酸为主的高效酸生成。

　　本研究探讨了微波预处理与发酵参数对小麦秸秆和马粪酸ogenic发酵的影响。实验中测试了四种不同的接种策略，包括马粪、牛粪、好氧污泥和小麦秸秆的原生菌群，并在pH 6和pH 10两种条件下评估了这些接种方式对小麦秸秆发酵的效果。结果表明，使用马粪作为接种源时，七天后代谢产物的产率最高，达到了0.172 ± 0.005 gCOD/gVS。然而，对于马粪本身的发酵，由于其本身是适合发酵的木质纤维素基质，无需外部接种，因此需要预处理以抑制甲烷生成古菌并溶解糖分。微波预处理参数，如功率（200 W或1000 W）、液固比（6或17）以及能量（7 Wh/gVS或12 Wh/gVS）被评估对基质溶解和代谢产物产率的影响。最佳预处理条件为200 W下15分钟，液固比为17，这使得七天后的代谢产物产率达到0.134 ± 0.029 gCOD/gVS。该条件有效抑制了甲烷生成，同时使可溶性糖和化学需氧量（COD）分别增加了44%和58%。此外，提高发酵过程中挥发性固体（VS）浓度（从14 gVS/L增加到28 gVS/L）显著改变了代谢产物的组成，但总体代谢产物产率保持不变。200 W预处理条件下，丁酸产量翻倍，而其他代谢产物如乙酸、丙酸等的产量没有明显变化。总体来看，本研究表明微波预处理是一种有效抑制甲烷生成并提高基质溶解度的策略，但不会显著促进挥发性脂肪酸（VFAs）的产量。同时，调整VS浓度可以引起显著的代谢变化。

马粪作为工业废弃物和产品的一部分，与其他粪便、动物废弃物等共同归类。其主要成分包括粪便、尿液和垫料，比例因情况而异。粪便和尿液共同构成了马粪部分，通常与小麦秸秆、大麦秸秆或木屑混合作为垫料。研究指出，垫料的性质对马粪的营养成分和可消化性有重要影响。此外，马粪通常具有丰富的原生微生物群落，这些微生物可以降解木质纤维素生物质中的复杂糖类，适合用于发酵。因此，马粪作为发酵的基质，其原生微生物群落可以作为接种源。然而，由于马粪中微生物种类的多样性，研究中需要通过预处理来选择性地抑制甲烷生成古菌，同时保持其他有益微生物的活性。

本研究还探讨了不同微波参数对马粪发酵的影响。实验中选择了液固比为17的条件，这与之前关于木质纤维素生物质的研究一致。通过比较液固比为6和17的条件，研究人员发现液固比为17时，虽然能量吸收效率略低，但对基质溶解和代谢产物产率的影响更为显著。此外，实验还测试了不同功率（200 W和1000 W）和不同能量（7 Wh/gVS和12 Wh/gVS）的微波预处理条件，发现200 W的预处理条件在保持相同能量输入的情况下，更有利于微生物群落的维持。尽管高能量输入可能有助于基质的溶解，但过高的能量可能导致微生物群落的破坏，从而影响发酵效率。因此，研究强调了微波预处理的适宜性，即在不影响原生微生物群落的情况下，实现基质的高效溶解。

实验中还评估了不同VS浓度对马粪发酵的影响。结果显示，当VS浓度从14 gVS/L提高到28 gVS/L时，代谢产物的组成发生了显著变化，特别是丁酸的产量大幅增加。然而，总体代谢产物的产率并没有明显变化。这表明，增加VS浓度可能通过改变代谢途径或微生物活动模式，促进特定代谢产物的生成。同时，发酵过程中pH的变化也被考虑，pH 6条件下，代谢产物的产率相对较高，而pH 10则可能导致代谢产物的组成变化，例如乙酸的增加。尽管如此，pH 6仍被选为后续实验的条件，因为它能够有效抑制甲烷生成，同时维持较高的代谢产物产率。

通过分析不同预处理条件下的微生物群落变化，研究发现某些微生物群落对预处理具有较强的耐受性，如Ruminococcaceae和Lachnospiraceae家族，在pH 6条件下占据主导地位。而在pH 10条件下，这些家族的丰度显著下降，取而代之的是耐碱性微生物如Alkalibacterium和Alkaliphilus。这说明pH对微生物群落的结构和功能有重要影响，进而影响代谢产物的生成。此外，LEfSe分析进一步揭示了不同预处理条件下，某些微生物群落的显著变化，如Dysgonomonas和Caproiciproducens的丰度差异，这可能解释了代谢产物的不同组成。

研究还指出，虽然微波预处理能够有效抑制甲烷生成，但过高的预处理强度可能对原生微生物群落产生负面影响。因此，需要在预处理强度和微生物活性之间找到一个平衡点，以确保发酵效率和代谢产物的多样性。同时，实验结果显示，微波预处理在28 gVS/L的条件下，能够显著提高丁酸的产量，而热处理则在较低VS浓度下表现更佳。这表明，不同预处理方式和条件对发酵效果有显著影响，需根据具体需求进行优化。

综上所述，本研究通过系统分析微波预处理和发酵参数对马粪酸ogenic发酵的影响，为利用马粪作为木质纤维素基质进行生物基挥发性脂肪酸（VFAs）生产提供了新的思路。研究不仅揭示了微波预处理在抑制甲烷生成和提高基质溶解度方面的有效性，还强调了调整VS浓度和pH值对代谢产物组成的重要性。此外，研究还指出，微波预处理的适宜性取决于其对微生物群落的影响，需在预处理强度和微生物活性之间找到最佳平衡。这些发现为未来利用马粪进行生物转化提供了理论依据和技术支持，同时也为其他类似生物质的处理和利用提供了参考。