综述：厌氧消化中抑制产甲烷以回收挥发性脂肪酸的机制与趋势综述

《Critical Reviews in Environmental Science and Technology》：Methanogenesis suppression for VFAs recovery in anaerobic digestion: A review of mechanisms and trends

本综述系统评述了厌氧消化（AD）中抑制产甲烷作用以促进挥发性脂肪酸（VFAs）回收的策略。文章通过贝叶斯混合效应模型定量评估了化学、操作、物理及生物抑制方法的效能，指出化学方法在甲烷抑制（HDI 1.99–6.11）和VFAs积累（HDI [0.016, 0.079]）方面表现突出但存在选择性差的风险，而非化学方法虽能促进VFAs积累却因产甲烷菌恢复而效果不稳定，为碳流向VFAs的理性设计提供了多尺度见解。

　　

Abstract

作为厌氧消化的中间产物，挥发性脂肪酸（VFAs）因其作为有效碳源和高价值生物燃料、生化品前体的潜力而受到日益广泛的关注。抑制产甲烷作用是VFAs生产的关键，然而当前的策略受限于机理认识不足和潜在毒性。本研究定性和定量地系统评估了现有的产甲烷抑制策略，重点在于阐明抑制机制和影响因素。贝叶斯混合效应模型提供了强有力的统计证据，表明这些抑制方法在不同条件下能可靠地抑制产甲烷并增强VFAs生产。特别是，化学抑制方法在甲烷抑制（最高密度区间[HDI] 1.99–6.11）和VFAs积累（HDI [0.016, 0.079]）方面 consistently 表现良好。然而，化学抑制剂可能缺乏选择性，并有可能意外抑制非目标微生物群落。相比之下，操作和物理抑制方法能有效促进VFAs积累（HDI分别为[0.063, 0.153]和[0.026, 0.111]），但它们对甲烷抑制的影响不稳定，其HDI要么较宽要么跨越零值，这可能是由于产甲烷菌的恢复和随之而来的VFAs消耗。生物抑制在这两个方面的有效性均有限，其HDI跨越零值，很可能是因为其仍处于发展的早期阶段，需要进一步研究。通过整合微生物、物理化学和系统层面的见解，本工作为利用厌氧生物技术理性设计碳流向VFAs生产的重定向策略提供了一个视角。

引言：VFAs的价值与产甲烷抑制的必要性

在厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）这一复杂的微生物过程中，有机物被逐步降解，最终产生甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）。然而，在这一过程的中间阶段，会产生一系列短链羧酸，即挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs），主要包括乙酸、丙酸、丁酸等。传统上，厌氧消化的目标是最大化甲烷产量以获取能源。但近年来，VFAs作为高价值产品的潜力日益凸显。它们可以作为高效的生物脱氮除磷工艺中的外碳源，是生产生物塑料（如聚羟基脂肪酸酯，PHA）、生物燃料及其他精细化学品的宝贵前体。因此，如何将碳流从最终的甲烷生产“劫持”到VFAs的积累上，成为了研究热点。实现这一目标的核心在于有效抑制产甲烷作用（Methanogenesis），即阻止产甲烷古菌（Methanogens）将VFAs等前体物质转化为甲烷。

抑制产甲烷的策略分类与评估框架

为了系统评估各种抑制策略，本研究采用了定性与定量相结合的方法。尤为重要的是，研究者运用了贝叶斯混合效应模型（Bayesian mixed effects model）对现有研究数据进行了荟萃分析。这一统计方法能够综合考虑不同研究间的异质性，提供更为稳健的效应量估计，并以最高密度区间（Highest Density Interval, HDI）的形式呈现结果，该区间代表了参数最有可能的真实值范围。抑制策略被大致分为四类：化学抑制、操作抑制、物理抑制和生物抑制。

化学抑制：高效但存在选择性挑战

化学抑制方法是通过投加特定化学物质来直接或间接抑制产甲烷菌的活性。常见的化学抑制剂包括：（1）针对产甲烷菌特有辅酶（如辅酶M）的抑制剂；（2）能够解离并降低细胞内pH的弱酸；（3）氧化剂如过氧单硫酸盐（PMS）；（4）重金属离子等。贝叶斯模型分析显示，化学方法在抑制甲烷产生方面效果最为显著和稳定，其HDI为1.99至6.11，表明甲烷产量显著降低。同时，在促进VFAs积累方面也表现出明确的正面效应（HDI [0.016, 0.079]）。这表明化学添加剂能够有效地阻断产甲烷途径。然而，文章也尖锐地指出，化学抑制剂的主要缺点在于其可能缺乏选择性。许多化学物质在抑制产甲烷菌的同时，也可能对水解发酵细菌等非目标微生物群落产生毒性，从而影响整个AD系统的稳定性和效率。此外，残留的抑制剂可能对后续的VFAs回收利用或环境造成潜在风险。

操作与物理抑制：促进VFAs积累但甲烷抑制不稳定

操作抑制主要通过调整厌氧消化的工艺参数来实现，例如控制pH值（通常降低pH至酸性条件）、缩短水力停留时间（HRT）或污泥停留时间（SRT）、提高有机负荷率（OLR）、或者进行周期性的饥饿处理等。物理抑制方法则包括热处理、超声波处理、电化学方法等，旨在选择性破坏或抑制产甲烷菌的生长。分析结果表明，这两种策略在促进VFAs积累方面是有效的，其HDI分别为[0.063, 0.153]和[0.026, 0.111]，效应量甚至在某些情况下高于化学方法。这说明通过改变环境条件或施加物理场，确实能够改变微生物群落的代谢流向，有利于VFAs的生成和存留。但是，这两种方法对甲烷抑制的效果却不太稳定。其HDI要么范围很宽，要么包含了零值（即效果不显著）。文章分析认为，这种不稳定性很可能源于产甲烷菌群的恢复能力。一旦操作条件恢复常态或物理冲击效应减弱，残存的产甲烷菌可能迅速复苏，并重新消耗已经积累的VFAs，从而导致VFAs产量下降和甲烷产量反弹。

生物抑制：潜力巨大但尚处早期阶段

生物抑制是一种相对新兴的策略，其原理是利用微生物之间的相互作用来抑制产甲烷菌。例如，引入或富集能够与产甲烷菌竞争底物（如氢气、乙酸）的微生物，如同型产乙酸菌（Homoacetogens）或硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing Bacteria, SRB）；或者利用细菌素（Bacteriocins）等特异性抗菌物质。然而，根据贝叶斯模型的分析结果，目前生物抑制方法无论在甲烷抑制还是VFAs积累方面，其效果均不明确，HDI均跨越零值。这表明当前报道的生物抑制策略效果不一，缺乏一致性。文章将其归因于该领域仍处于发展的早期阶段。微生物群落相互作用的复杂性、引入菌株的定殖难度、以及环境条件对竞争结果的影响等因素，都使得生物抑制技术的实际应用面临挑战，需要更深入的基础研究和工艺优化。

整合视角与未来展望

本综述通过整合微生物生态（微生物群落结构动态）、理化环境（工艺参数、抑制剂性质）以及系统层面（碳流平衡、能量流动）的深刻见解，强调了理性设计VFAs生产策略的重要性。未来的研究方向可能包括：（1）开发更具选择性的抑制剂，能够精准靶向产甲烷菌而不影响其他功能菌群；（2）探索化学、物理、操作策略的协同组合，以在抑制产甲烷的同时维持系统稳定；（3）深化对微生物群落互作机制的理解，推动生物抑制技术走向成熟；（4）将在线监测与自动控制相结合，实现基于实时数据的精准调控。最终目标是在厌氧生物技术平台上，实现碳资源向高价值VFAs产品的高效、可控转化。