基于气体自循环策略的餐厨垃圾酸化发酵代谢途径调控及乙酸定向强化生产机制研究

针对餐厨垃圾酸化发酵中挥发性脂肪酸(VFAs)组成不可控导致反硝化效率低的问题，研究人员创新性提出气体自循环策略，通过调控产酸菌群代谢途径实现乙酸定向增产。结果表明，该技术使乙酸产量提升23.11%至8.47 g/L，并揭示WL(Wood-Ljungdahl)途径和乙酰辅酶A通路的关键作用，为废水处理低成本碳源开发提供新思路。

　　

随着中国城市化进程加速，2024年城镇污水量已达700亿立方米，其中低碳氮比(C/N)污水因碳源不足导致反硝化效率低下。传统化学碳源如甲醇、乙酸钠等占污水处理成本的60%以上，而餐厨垃圾(FW)因其高有机质含量成为理想替代碳源。然而，FW酸化发酵产生的挥发性脂肪酸(VFAs)组分复杂，其中乙酸占比直接影响反硝化速率——碳链越短(如乙酸)，反硝化速率越快。现有研究多通过pH、有机负荷(OLR)等参数调控VFA组成，但效果有限。更棘手的是，氢气(H₂)作为酸化副产物存在溶解度和传质效率低的问题，而过量补充又会破坏系统稳定性。

针对这些挑战，来自国内某研究机构的研究团队在《Bioresource Technology》发表创新性研究，设计气体自循环连续搅拌反应器(CSTR)系统，通过循环酸化过程产生的含H₂(10-30%)气体，实现乙酸定向增产。研究发现该策略使乙酸产量从6.88 g/L提升至8.47 g/L，增幅达23.11%，同时系统pH稳定性增强。宏基因组分析揭示，该技术减少了对传统产乙酸菌的依赖，显著富集同型产乙酸菌，并通过上调糖酵解和丙酮酸代谢相关基因提升整体酸化代谢效率。

研究采用三项关键技术：1) 自主设计的气体自循环CSTR系统，结合气泡扩散器提升气液传质效率；2) 使用北京某公司的预处理餐厨垃圾作为底物；3) 通过宏基因组学解析代谢通路变化。

Effect of gas self-circulation on gas production
数据显示，气体自循环阶段日均产气量从16.34 L/d降至10.47 L/d，H₂占比从19.02%锐减至6.98%，证实循环气体被有效用于代谢。

Metabolic pathway modulation mechanism
关键发现包括：1) WL途径关键酶基因丰度增加，促进CO₂还原为乙酸；2) 乙酰辅酶A通路代谢通量提升；3) 电子传递系统(ETS)活性增强维持氧化还原平衡。

Conclusion
该研究开创性地证明气体自循环可通过双重机制强化乙酸生产：物理层面降低H₂/CO₂分压促进溶解，生物层面重构微生物群落功能。相比传统参数调控，该方法无需外源添加物即可实现VFA组分定向调控，为废水处理碳源开发提供可持续解决方案。通讯作者Jianbin Guo指出，该技术可与其他工艺联用，未来需进一步优化循环气体组分比例以提升经济性。