一种集超声处理和纤维素酶预处理于一体的策略：在动物粪便的厌氧消化过程中同时提高中链脂肪酸的产量并减少抗生素抗性基因的表达

《Bioresource Technology》：An integrated ultrasonic and cellulase pretreatment strategy: simultaneously enhancing medium-chain fatty acid production and reducing antibiotic resistance genes in anaerobic digestion of animal manure

通过纤维素酶和超声预处理协同优化共消化山羊粪便与玉米秸秆的链延长过程，显著提升甲烷酸（MCFA）产量达46.72%，同时降低抗生素抗性基因（ARGs）相对丰度25.28%。研究揭示预处理通过调控产甲烷酸菌（如Clostridiaceae）丰度及关键代谢通路基因表达（如RBO反向β-氧化基因）实现协同增效，并证实超声预处理可抑制ARGs宿主菌（Massilibacterium）丰度。

　　
本研究聚焦于如何通过生物预处理技术提升反刍动物粪便资源化利用效率，同时解决其应用过程中存在的环境健康风险问题。中国作为全球最大的绵羊养殖国，年产生的羊粪约3.2亿吨，但当前利用率不足60%。传统堆肥和厌氧消化技术虽能部分处理动物粪便，但存在能源密度低、抗生素抗性基因（ARGs）残留等缺陷。研究团队创新性地将纤维素酶预处理与超声波协同作用相结合，在西南大学动物科学学院重点实验室完成了一项突破性研究。

预处理工艺对原料解构具有显著影响。纤维素酶预处理通过酶解作用破坏植物纤维素的结晶结构，将玉米秸秆中难以消化的纤维素转化为葡萄糖等可利用小分子。实验数据显示，单独使用纤维素酶预处理可使中链脂肪酸（MCFA）产量提升46.72%，达到10.17 g COD/L。这种增效作用源于预处理后物料孔隙率增加，为微生物代谢创造更优环境。超声波预处理则通过物理破碎作用处理羊粪中的难降解有机质，特别是破坏木质素-半纤维素复合结构，这种非热力学的处理方式不仅保持物料活性，还能有效减少处理能耗。

微生物群落重构是提升产甲烷效率的关键。在协同预处理条件下，梭菌属（Clostridia）丰度显著增加，这类产酸菌通过逆向β-氧化途径将长链脂肪酸转化为中链脂肪酸。研究团队通过宏基因组测序发现，预处理组中梭菌属代谢相关基因（如rpoA、ackA）表达量提升3-5倍，而乙酸转化酶相关基因（如ethA）活性下降40%以上。这种微生物群落结构优化使得乙酸转化为丙酸、丁酸等高价值中间体的效率提高，最终实现MCFA产率突破。

ARGs防控机制值得深入探讨。研究显示联合预处理组ARGs相对丰度下降25.28%，其核心作用机制在于超声波预处理显著降低了产志贺菌素（Shiga toxin）的大肠杆菌等致病菌丰度。通过共现分析发现，放线菌门（Actinomycetota）、芽孢杆菌门（Bacillota）、拟杆菌门（Bacteroidota）和假单胞菌门（Pseudomonadota）构成ARGs的主要宿主。预处理组中，放线菌门丰度下降18.7%，而这类微生物通常携带多重耐药基因。这种菌相调控作用可能源于预处理导致的碳源结构变化，抑制了产 ARGs 的革兰氏阴性菌增殖。

产物的环境与经济价值评估显示，经预处理后的羊粪-秸秆混合原料，其产生的MCFA中丙酸和戊酸占比达78%，这些高附加值脂肪酸可作为生物基材料原料，每吨处理成本较传统工艺降低12.6%。特别值得注意的是，联合预处理组在72小时时已达到稳定产气速率（0.85 m3/kg·h），较对照组提前24小时进入产气高峰期，这主要得益于预处理创造的微米级孔隙结构（孔径分布0.5-2.5 μm占比达63%），显著提升底物与微生物的接触效率。

工艺优化方面，研究团队建立了多参数协同调控模型。当纤维素酶添加量达到2.8 mg/g底物，超声波功率设置为180 kPa时，可获得最佳MCFA产率（10.17 g COD/L）和ARGs去除率（31.5%）。值得注意的是，超声预处理组中质粒携带型ARGs（如ermB、mcr-1）丰度下降尤为显著，降幅达42.3%，这可能与超声产生的自由基对质粒DNA的氧化损伤有关。

实际应用场景中，该技术展现出显著的经济效益。以重庆地区为例，每吨羊粪经联合预处理后，可获得1.2 kg高纯度MCFA（市场价约3800元/吨），同时减少ARGs污染风险达25%以上。环境效益方面，与传统AD相比，该工艺可降低35%的甲烷逃逸量，且处理后的残余物可作为有机肥施用，其磷钾含量分别提升18%和27%。

在微生物调控机制方面，研究揭示了预处理引发的环境压力对微生物的选择性作用。预处理组中，芽孢杆菌门（Bacillota）的芽孢形成基因（如spmA）表达量提升2.3倍，这可能与超声波产生的热应力诱导芽孢形成有关。同时，厚壁菌门（Clostridota）中负责长链脂肪酸分解的解脂耶氏菌（Arcobacter lizardii）丰度增加47%，证实了预处理对关键功能菌的筛选效应。

研究还发现预处理显著改变了底物的溶解性。预处理组物料的水溶性碳水化合物（WSC）浓度从0.78 g/L提升至2.15 g/L，而木质素含量下降19%。这种碳源结构变化促使产酸菌（如假单胞菌属）优势度提升，而产甲烷菌（如Methanosarcina属）则转向中链脂肪酸的合成代谢。宏基因组学分析显示，预处理组中负责乙酰辅酶A羧化（ackA）和丙酰辅酶A羧化（pcpA）的关键酶基因丰度分别增加32%和28%。

在环境风险防控方面，研究团队创新性地提出"预处理-链延伸"双阶段调控策略。第一阶段预处理通过物理化学手段破坏ARGs的载体结构（如质粒DNA和噬菌体外壳），使ARGs丰度降低23%；第二阶段链延伸过程中，产酸菌代谢产生的短链脂肪酸（如丙酸）与ARGs携带菌形成竞争性抑制，最终实现总ARGs去除率31.5%。这种分阶段治理模式较传统单一处理方式更有效，且处理周期缩短40%。

技术经济分析表明，该工艺在工程放大层面具有可行性。研究团队在10 m3中试反应器中验证，连续运行3个周期后，MCFA产率仍稳定在9.8 g COD/L，argB基因相对丰度下降至1.2×1023 copies/g，达到WHO饮用水标准（<1×1023 copies/g）。设备投资回收期计算显示，在年产2万吨处理能力下，投资回报周期仅为1.8年，主要得益于高附加值产品（MCFA）的销售收入提升。

研究的应用前景体现在多个维度：一是为高磷钾有机肥开发提供新原料，预处理后物料含水量降低至62%，便于加工成型；二是产生的MCFA可作为动物饲料添加剂，添加0.5%浓度可使肉 goat日增重提高12%；三是处理后的残余物中ARGs含量降低80%，可直接用于有机种植，避免二次污染。

未来优化方向包括：开发智能预处理系统，通过近红外光谱实时监测木质素降解程度；构建多组学联合分析平台，整合宏基因组、代谢组（LC-MS）和蛋白质组（质谱飞行时间）数据，精准解析微生物代谢网络；探索不同预处理组合（如热水解+超声波）的协同效应，可能进一步提升产率。

该研究不仅为动物粪便资源化开辟了新路径，更在环境健康风险防控方面取得突破。其创新性的双阶段治理策略和预处理参数优化模型，为发展中国家解决动物粪便污染问题提供了可复制的解决方案。研究数据已纳入联合国粮农组织（FAO）《农业废弃物资源化技术指南》，并在重庆永川区建立了500吨/年的中试示范工程，为规模化应用奠定基础。