pH 调控策略影响瘤胃发酵产物：短链脂肪酸与甲烷生成的抉择

在厌氧发酵中，pH 调控对短链脂肪酸（SCFAs）或甲烷（CH4）生成影响重大但机制不明。研究人员以木耳废料为底物，探究动态 pH（7.0）和恒定 pH（7.0 和 10）调控策略的作用。结果表明不同 pH 策略效果各异，为优化发酵产 SCFAs 或 CH4提供理论依据。

　　在当今资源日益紧张的时代，废弃物的资源化利用成为了全球关注的焦点。就拿蘑菇栽培后的废料来说，这可是个 “潜力股”，它属于典型的木质纤维素生物质，我国每年的产量高达约 1 亿吨 。然而现实却很残酷，大多数蘑菇废料不是被直接丢弃，就是付之一炬，这不仅造成了严重的环境污染，更是对资源的极大浪费。蘑菇废料中富含纤维素、半纤维素和粗蛋白等有机化合物，本可以作为厌氧发酵生产短链脂肪酸（Short - Chain Fatty Acids，SCFAs）或甲烷（Methane，CH₄）的优质原料。但无奈其结构复杂，发酵时水解困难，大大限制了 SCFAs 和 CH₄的产量。虽说有各种预处理方法能改善水解情况，可这又带来了技术复杂和成本增加的新问题。

瘤胃消化系统一直被誉为降解木质纤维素的 “高效工厂”，这都要归功于瘤胃中丰富多样的微生物，像细菌、真菌和产甲烷菌等。它们齐心协力，能把木质纤维素转化成 SCFAs、CH₄、氢气等产物。近年来，瘤胃微生物作为厌氧发酵的高效接种剂备受关注。已有研究发现，利用瘤胃微生物处理稻草，SCFAs 产量能达到 10820mg/L；用牛瘤胃微生物接种处理土豆皮，CH₄产量可达 0.86L/g VS。

pH 值在厌氧发酵过程中就像一把 “双刃剑”，对发酵的水解、酸化和产甲烷等环节有着至关重要的影响。合适的 pH 值能促进微生物生长、增强酶活性，进而提高有机物质的转化效率，增加 SCFAs 或 CH₄的产量。一般来说，低 pH 值会显著抑制瘤胃微生物的活性和功能，影响瘤胃消化系统的正常运作。已有研究表明，pH 值在 6.0 - 6.8 有利于瘤胃微生物进行高效水解和酸化，中性初始 pH（7.0 - 7.5）更利于瘤胃微生物对玉米秸秆进行厌氧发酵产生 SCFAs，而低初始 pH（6.0）则会明显抑制 SCFAs 的积累；维持中性 pH（6.9）有助于玉米秸秆的水解和 CH₄的生成 。但目前，动态（初始 pH 调控）和恒定 pH 调控对木质纤维素生物质瘤胃发酵生产 SCFAs 或 CH₄的作用机制还不清楚。

为了揭开这个谜团，研究人员开展了相关研究，探究动态 pH（初始 pH 7.0）和恒定 pH（7.0 和 10）调控策略对木耳废料瘤胃发酵生产 SCFAs 和 CH₄的影响。他们分析了挥发性固体（Volatile Solids，VS）去除率、可溶性多糖和蛋白质、可溶性化学需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand，SCOD）的变化，测定了 SCFAs 浓度及其成分的改变，还研究了总沼气和 CH₄产量的变化情况。同时，揭示了细菌和古菌的多样性、丰度和群落结构，阐明了动态和恒定 pH 条件下发酵过程中水解、酸化和产甲烷功能基因的差异。该研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》上，为利用瘤胃微生物提高木质纤维素生物质生产 SCFAs 或 CH₄的效率提供了科学依据。

研究人员在此次研究中，主要运用了以下关键技术方法：首先是样本采集，从屠宰场获取瘤胃液，用于后续实验。然后通过监测发酵过程中各项指标的变化，如利用特定的检测方法测定 SCFAs、SCOD、可溶性蛋白、可溶性多糖等物质的浓度；采用专业的气体检测技术测定总沼气和 CH₄产量。此外，借助微生物测序技术分析细菌和古菌的多样性、丰度和群落结构，通过基因检测技术研究功能基因的差异。

不同 pH 调控策略对 SCFAs 产量的影响

在瘤胃发酵过程中，动态 pH 7.0 和恒定 pH 7.0 组的 SCFAs 浓度逐渐上升，而恒定 pH 10 组的 SCFAs 浓度变化不明显。其中，动态 pH 7.0 组的 SCFAs 产量达到 8080mg/L，比恒定 pH 7.0 组（仅 5611mg/L）高出 44.0%。这表明动态 pH 7.0 的调控策略更有利于 SCFAs 的高效生产。

不同 pH 调控策略对其他指标的影响

恒定 pH 7.0 条件下，VS 去除率达到 57.5%，高于动态 pH 和恒定 pH 10 组。动态 pH 7.0 时，SCOD、可溶性蛋白和多糖浓度相对较高。同时，恒定 pH 7.0 组的 CH₄产量是动态 pH 组的 2.2 倍。这说明恒定 pH 7.0 在促进 VS 去除和 CH₄生成方面表现更优。

pH 对微生物群落的影响

pH 对瘤胃发酵过程中的微生物群落有着显著影响，进而决定了发酵产物是 SCFAs 还是 CH₄。在动态 pH 条件下，Rikenellaceae_RC9_gut_group、Bacteroides 和 Prevotella 是优势菌属；在恒定 pH 7.0 时，Bacteroides 成为优势菌属；而在恒定 pH 10 时，出现了 Alkaliphilus 和 Salipaludibacillus 等新菌属，但动态和恒定 pH 7.0 中的一些关键菌属如 Bacteroides、Enterococcus 等消失了。在古菌中，Methanobrevibacter 是优势菌属，恒定 pH 7.0 中的 Methanosarcina 加速了 SCFAs 向 CH₄的转化。

功能基因表达差异

动态 pH 条件下功能基因的表达与较高的 SCFAs 浓度相对应，而恒定 pH 7.0 时功能基因的表达则与较高的 VS 去除率和 CH₄产量相关。这进一步从基因层面解释了不同 pH 调控策略对发酵产物的影响机制。

综上所述，本研究表明动态 pH 7.0 策略更适合高效生产 SCFAs，而恒定 pH 7.0 策略在提高 VS 去除率和 CH₄产量方面更具优势。pH 显著改变了瘤胃发酵过程中微生物的多样性、丰度和群落结构，影响了功能基因的表达，最终决定了发酵产物的走向。该研究成果为通过调控瘤胃发酵来优化木质纤维素生物质生产 SCFAs 或 CH₄提供了重要的理论依据，有助于推动废弃物资源化利用领域的发展，在生物能源生产和环境保护方面具有重要的应用前景。