有机固体废物类型与温度对自发酵乳酸驱动产氢及微生物群落的影响机制研究

本研究针对有机固体废物(OSW)资源化利用中化学添加剂依赖度高、成本较高等问题，系统探究了餐厨垃圾(RFW)、市场废物(MW)和城市有机固废(OFMSW)在自发酵条件下产氢性能及微生物群落响应机制。结果表明OFMSW在37°C时产氢量最高(257 mL H2/L)，且无需调节pH或添加营养物，为降低生物制氢运营成本提供了技术支撑。

　　

随着全球城市化进程加速，有机固体废物(Organic Solid Waste, OSW)的产生量逐年攀升，每年约产生20亿吨城市固体废物，其中有机组分占比超过50%。这类废物富含碳水化合物、蛋白质和脂质，具有极高的资源化潜力，尤其是通过暗发酵(Dark Fermentation)技术生产清洁能源氢气(H₂)。然而，当前OSW产氢技术仍面临诸多挑战：一是废物来源多样（如餐厨垃圾RFW、市场废物MW、城市有机固废OFMSW），其化学成分和微生物群落差异显著，导致产氢效率不稳定；二是多数工艺依赖外部营养添加和pH调节，增加了运营成本；三是高温（55°C）与中温（37°C）条件下OSW的自发酵特性及微生物响应机制尚不明确。

为解决上述问题，墨西哥国立自治大学工程研究所的研究团队在《Process Biochemistry》上发表了一项系统研究，探讨了OSW类型和温度对自发酵产氢、代谢产物及微生物群落的影响。该研究首次评估了三种OSW（RFW、MW、OFMSW）在无需化学添加剂和pH调节条件下的产氢性能，并揭示了温度对乳酸驱动产氢路径的关键调控作用。

研究采用的主要技术方法包括：使用OSW自身原生微生物群落作为接种体，在批式反应器（工作体积100 mL）中开展37°C和55°C发酵实验；通过高效液相色谱(HPLC)分析有机酸（如乳酸、丁酸）产量；采用Illumina MiSeq平台对16S rDNA V3-V4区测序以解析微生物群落结构；利用典范对应分析(CCA)和层次聚类分析(HCA)关联产氢性能、代谢产物与微生物组成；通过Gompertz模型拟合产氢动力学参数。

3.1. 不同OSW在中温和高温自发酵下的产氢性能

研究发现，OFMSW在37°C时产氢量最高（257 mL H₂/L），比55°C条件高23%，且与丁酸产量及梭菌属(Clostridium)丰度呈正相关。MW在37°C时产氢量为73 mL H₂/L，但55°C时无氢气生成，转而积累乳酸（1.3 g/L）。RFW在两种温度下均以乳酸生产为主（37°C时达2.8 g/L），产氢量极低（仅1.6 mL H₂/gVS）。结果表明，OFMSW是直接单级产氢的最优底物，而RFW更适合作为两级工艺中乳酸生产的前体。

3.2. 产氢过程中的微生物群落特征

微生物多样性分析显示，OFMSW的群落以梭菌属为主（37°C时占比66%，55°C时52%），与丁酸和H₂生产高度相关。MW在37°C时梭菌属占89.3%，而55°C时芽孢杆菌属(Bacillus)成为绝对优势菌（98.2%）。RFW在37°C下以乳酸杆菌(Lactobacillus)（81.1%）和明串珠菌(Leuconostoc)为主，导致乳酸积累。温度显著影响群落结构：MW和OFMSW的微生物在高温下表现出短期热适应性，而RFW的乳酸菌群在酸性环境（pH降至3.6）中仍保持活性。

3.3. 产氢与微生物群落的关联性

CCA分析表明，梭菌属与H₂和丁酸生产正相关，而乳酸杆菌和芽孢杆菌分别与中温和高温下的乳酸生产相关。HCA将发酵过程分为两类：Cluster A（OFMSW和MW在37°C）以产氢和丁酸为特征；Cluster B（RFW及MW在55°C）以乳酸积累为主。这一分类证实了底物化学组成（如碳水化合物和蛋白质比例）及初始pH是驱动代谢路径分化的关键因素。

4. 讨论与意义

本研究证实，OFMSW的自发酵可在不调节pH和添加营养物的条件下实现高效产氢，其天然pH（6.0）和丰富微量元素（如铁）为梭菌提供了理想环境。相反，RFW的高蛋白质含量（21%）和低初始pH（4.4）促进了乳酸菌主导的酸化过程，抑制产氢。研究首次报道了OSW原生微生物在高温下的短时热适应能力，为开发耐高温生物催化剂提供了依据。

从应用视角看，该研究提出了低成本OSW valorization策略：OFMSW适用于单级产氢工艺，而RFW可通过两级工艺（先产乳酸后产氢）实现能源回收。未来研究可探索半连续操作模式及底物共发酵，以进一步提升产氢稳定性及经济性。该成果为减少暗发酵的化学添加剂依赖、降低运营成本提供了重要理论支撑和技术路径。