羧酸(C2/C3)耦合脂肪油脂厌氧消化体系的生物气增效机制与微生物代谢网络解析

针对高负荷脂肪油脂(FOG)厌氧消化(AD)中长链脂肪酸(LCFA)抑制和微生物活性低的问题，研究人员通过添加乙酸(C2)和丙酸(C3)开展协同增效研究。结果表明，C2/C3分别使生物气产量提升1.69和1.47倍，显著富集Clostridium(28.8-48.3%)和Methanosphaera(79.1-84.6%)，并激活碳代谢(ko01200)和ABC转运蛋白(ko02010)通路。该研究为复杂底物高效资源化提供了新策略。

　　

论文解读
餐饮废水中富含的脂肪、油和油脂(FOG)是厌氧消化(AD)领域的"烫手山芋"——这些看似可降解的有机物却因长链脂肪酸(LCFA)的细胞毒性常导致系统崩溃。更棘手的是，传统共消化策略需要精确调控底物配比，难以实现高负荷处理。当微生物们面对这些疏水性强、分子量大的"硬骨头"时，水解效率低下和中间产物积累形成恶性循环。如何破解这个困局？兰州大学的研究团队独辟蹊径，尝试用乙酸(acetic acid, C2)和丙酸(propionic acid, C3)这两种"微生物兴奋剂"来激活厌氧系统的代谢潜能。

研究团队设计了两阶段实验：第一阶段逐步增加FOG负荷并分别添加C2/C3，第二阶段提升羧酸浓度。通过监测生物气产量、挥发性脂肪酸(VFA)动态和微生物群落演变，结合宏基因组功能预测，系统解析了增效机制。关键技术包括：采用中国兰州榆中县沼气站的接种污泥，通过TS/VS(总固体/挥发性固体)测定表征原料特性；运用一级动力学模型、修正Gompertz模型和Logistic函数分析生物气产生规律；基于16S rRNA测序揭示细菌-古菌互作网络；通过KEGG数据库预测代谢通路。

Inoculum characterization
接种污泥的TS(1.62%)和VS(0.85%)含量表明其适合作为启动基质。这种来自实际工程的菌群含有适应复杂底物的微生物谱系，为后续FOG降解提供了生物基础。

Enhancement in biogas production
C2的添加使第一阶段生物气产量激增1.69倍，显著缩短19天滞后期。虽然第二阶段因VFA积累(尤其是LCFA)导致增幅降至0.24倍，但累计产量仍达对照组的1.93倍。C3组则呈现持续增效特征，两阶段分别提升1.47倍和1.71倍。动力学分析显示C2更易引发爆发式产气，而C3支持更稳定的代谢流。

微生物群落重构
细菌群落中，C2组富集Clostridium(48.3%)和Turicibacter(8.7%)，这些菌株具有突出的β-氧化能力；C3组则特异性激活Pseudigracilibacillus(27.5%)和Thiopseudomonas(9.08%)，后者可能参与硫代谢耦合的脂质降解。古菌谱系呈现高度特异性，甲基营养型Methanosphaera在C2/C3组分别占79.1%和84.6%，其优势地位与羧酸直接转化途径高度相关。

功能解析
KEGG预测显示碳代谢(ko01200)和ABC转运蛋白(ko02010)是核心通路。值得注意的是，细菌分泌的葡萄糖苷酶与古菌的辅酶F₄₂₀氢化酶形成代谢接力，前者分解糖脂类物质，后者催化F₄₂₀依赖的甲烷生成。这种分工协作解释了系统对FOG的强化降解。

该研究证实：羧酸添加通过三重机制提升FOG消化效率——(1)作为直接底物加速甲烷生成；(2)刺激功能菌群β-氧化能力；(3)优化微生物代谢分工。尽管高负荷下VFA积累仍待解决，但研究为餐厨垃圾、油脂废水等高有机负荷废物的处理提供了理论依据。Deanship of Graduate Studies at Najran University和中央高校基本科研基金(lzujbky-2024-ey12)的支持，也体现了该技术在"一带一路"沿线油气产区废水处理中的潜在应用价值。