生物预处理以及与牛粪共同消化以改善马尾藻的厌氧消化效果

《Biomass and Bioenergy》：Biological pretreatments and co-digestion with bovine manure for improving the anaerobic digestion of sargassum

红藻（Sargassum natans 和 Sargassum fluitans）的厌氧消化效率通过酶预处理（Cellic CTec2 提升甲烷产量69%）和牛粪共消化（增加37%）显著提高。微生物预处理虽改变红藻结构，但产气效率与新鲜红藻相当。储存6个月的红藻经牛粪共消化后，甲烷产量增加57%，表明储存可部分替代预处理。研究证实酶水解与共消化协同作用可优化红藻生物质能转化。

　　### 概述与背景

近年来，随着全球气候变化和人类活动的影响，大西洋赤道海域的棕色海藻——主要是**Sargassum natans**和**Sargassum fluitans**——的大量聚集已对加勒比海岸地区的环境和经济造成了严重影响。这些海藻在到达海岸线后，会形成漂浮的层，阻碍阳光和氧气的渗透，进而对海洋生态系统产生不利影响。此外，海藻在岸边分解时会产生渗出液和异味，对渔业和旅游业造成显著影响，甚至导致部分国家加勒比海岸的旅游业收入下降35%。

为了应对这一问题，科学家们提出了多种处理方案，包括生物降解、物理化学处理以及沼气（甲烷）生产。其中，厌氧消化被认为是一种具有潜力的方法，因为它不仅能够将海藻转化为可再生能源，还可以减少环境污染。然而，由于海藻的结构复杂，含有难降解的多糖、纤维素、木质素等成分，使得其在厌氧消化过程中甲烷产量较低，通常只有理论值的42%-145%。因此，提高海藻的水解效率成为提升甲烷产量的关键。

本研究探讨了通过生物预处理和与牛粪共消化的方法，来改善海藻的水解性能，进而提升甲烷产量。研究中使用了**生物化学甲烷潜力（BMP）测试**，以评估不同处理方式对甲烷产量的影响。结果表明，使用**Cellic CTec2**酶预处理的海藻，其BMP提高了69%，而**海藻酸酶**则没有显著效果。此外，牛粪在与海藻共消化时，显示出一定的水解活性，使得甲烷产量提升了37%。当以5:1的比例进行共消化时，甲烷产量进一步提高57%，显示出这一方法在实际应用中的潜力。

### 海藻的特性与处理挑战

为了更深入地了解海藻的特性，研究者首先对其进行了**热重分析（TGA）**和**单糖定量分析**。TGA结果显示，新鲜海藻在升温过程中经历了四个显著的重量损失阶段：80–135°C的水分蒸发、230–296°C的有机物分解、296–350°C的蛋白质降解，以及680–760°C的碳酸钙分解。这些数据表明，海藻的组成主要包括水（8%）、藻酸和岩藻酸（17%）、蛋白质和多糖（13%）、碳酸钙（10%）以及大量灰分（36%）。与常见的木质纤维素类生物质（如小麦秸秆、玉米秸秆等）相比，海藻的灰分含量较高，这可能是其难以降解的一个因素。

单糖定量分析进一步揭示了海藻的水解特性。通过使用浓硫酸进行水解，研究者发现新鲜海藻中含有18%的单糖，这表明其含有丰富的碳水化合物。这一结果与此前的研究结果相符，例如Davis等人的研究显示，不同形态的海藻中单糖含量在14.3%-18.4%之间，而Milledge等人的研究则发现，单糖含量在12%-22%之间。这些数据为后续的水解和甲烷产量研究提供了基础。

### 预处理方法与效果评估

为了提高海藻的水解效率，研究者尝试了多种预处理方法，包括**酶解预处理**和**微生物预处理**。其中，**Cellic CTec2**酶被证明在水解海藻过程中具有显著效果，其BMP比原始海藻提高了69%。相比之下，**海藻酸酶**则没有显示出明显的水解效果，可能与其对海藻细胞壁多糖的特异性较低有关。

在微生物预处理方面，研究者从腐烂的木材中分离出**Trametes hirsute**菌丝体，并将其与海藻混合，培养一周后观察到白色菌丝体的生长，表明微生物成功定植于海藻表面。随后，通过**FTIR-ATR光谱分析**，研究者发现微生物预处理改变了海藻的化学结构，尤其是在3300 cm?1波长处的羟基（-OH）信号减弱，表明海藻中的纤维素、半纤维素和木质素被部分分解。此外，2900 cm?1波长处的N-H键变化也表明，微生物对海藻中的脂类化合物进行了处理。

然而，微生物预处理的效果在BMP测试中并未得到显著体现，因为菌丝体在水解过程中迅速消耗了生成的产物，导致甲烷产量未明显提升。相比之下，**牛粪作为水解添加剂**在BMP测试中表现出一定的作用，使得甲烷产量增加了37%。当将牛粪与海藻按5:1的比例进行共消化时，甲烷产量进一步提高57%，表明牛粪在改善甲烷产量方面具有显著潜力。

### 储存条件对海藻的影响

研究还探讨了**低温储存**（6°C，6个月）对海藻的影响。结果表明，储存后的海藻在BMP测试中表现出较高的甲烷产量，达到101 mL CH?/g VS，比新鲜海藻的71 mL CH?/g VS增加了30%。这一现象表明，在低温储存过程中，海藻中的**原生微生物**可能发挥了水解作用，将部分有机物转化为可利用的底物，从而提高了后续甲烷生成的效率。然而，储存后的海藻在加入牛粪时，甲烷产量的提升幅度较小（仅增加10%），这可能是因为储存过程中已经部分水解的产物被微生物利用，从而减少了可进一步转化为甲烷的底物。

### 沼气产量与反应动力学

为了进一步评估不同处理方式对甲烷产量的影响，研究者使用了**BMP测试**和**反应动力学模型**（包括**改良Gompertz模型**和**类似米氏方程**）。这些模型帮助研究人员计算了最大甲烷产量（CH?max）、最大产量速率（Rmax）以及滞后期（λ）。结果显示，使用Cellic CTec2酶预处理的海藻在BMP测试中表现出更高的甲烷产量和更快的反应速率，而微生物预处理则因微生物对水解产物的快速消耗，未能显著提高甲烷产量。

此外，研究者还分析了不同处理方式对**碱度（alkalinity）**和**缓冲能力（alk ratio）**的影响。结果显示，加入牛粪的处理方式能够提高碱度和缓冲能力，从而增强甲烷生成的稳定性。这一发现进一步支持了牛粪作为共消化底物的可行性。

### 与文献的对比与讨论

与其他研究相比，本研究中海藻的甲烷产量相对较低，例如Barbot等人的研究显示，不同海藻的甲烷产量在200–480 mL CH?/g VS之间，而本研究中海藻的甲烷产量仅为71–101 mL CH?/g VS。这一差异可能与研究条件有关，例如不同的底物比例、处理方法以及菌种来源等。然而，本研究中，使用Cellic CTec2酶预处理的海藻，其甲烷产量显著提高，达到71 mL CH?/g VS，比原始海藻增加了69%。

### 结论与展望

本研究的结果表明，**Cellic CTec2酶预处理**是提高海藻甲烷产量的有效方法，而**微生物预处理**由于微生物对水解产物的快速利用，未能显著提升甲烷产量。相比之下，**牛粪作为共消化底物**在提高甲烷产量方面表现出显著优势，其与海藻按5:1的比例共消化时，甲烷产量增加了57%。这为实际应用提供了重要的参考，尤其是在需要提高沼气产量的厌氧消化设施中。

然而，研究也指出，**储存条件**（如低温储存）虽然能够提高甲烷产量，但其实际应用仍面临能源消耗和基础设施建设等挑战。因此，未来的研究应进一步探索不同温度和储存条件对海藻甲烷产量的影响，以及如何优化共消化比例，以实现更高的经济效益和环境效益。

此外，研究还强调了**微生物预处理**的潜力，尽管其在本研究中未能显著提高甲烷产量，但其对海藻结构的改变表明，它在改善水解效率方面可能具有一定的作用。未来的研究可以考虑结合其他处理方式，例如**物理或化学预处理**，以进一步提升微生物预处理的效果。

综上所述，本研究为海藻的可持续处理和沼气生产提供了新的思路和方法，有助于缓解海藻带来的环境压力，并推动其在能源领域的应用。