预处理调控粘附与浮游微生物协同作用提升玉米秸秆厌氧消化产甲烷效率的机制研究

本研究针对木质纤维素厌氧消化(AD)中微生物协作机制不明的关键问题，通过HCl和NaOH预处理对比实验，揭示了碱性预处理通过促进粘附型水解菌(Proteiniphilum sp. S20)和产氢产乙酸菌(Dysgonomonadaceae zrk40)的协同增殖，使甲烷产量提升32.7%（达380.9 mL/g VS），为优化预处理工艺提供了微生物学依据。

　　

全球对化石燃料的过度依赖正引发严峻的生态危机，而木质纤维素生物质(LB)作为可再生资源却因结构顽固导致转化效率低下。传统焚烧和填埋处理不仅造成污染，更浪费了LB中蕴含的清洁能源潜力。厌氧消化(AD)技术虽能将纤维素转化为甲烷，但微生物与底物的接触效率成为制约瓶颈——就像一群工人被挡在原料仓库外，空有转化能力却无从施展。更关键的是，现有研究多关注浮游微生物，而对像"特种工程兵"般直接附着在原料表面的粘附微生物知之甚少，这种认知缺口严重阻碍了AD工艺的优化。

中国农业大学（根据基金项目"中央高校基本科研业务费专项JD2503"推断）的研究团队独辟蹊径，聚焦HCl和NaOH两种预处理对玉米秸秆(CS)AD过程中粘附与浮游微生物协作的影响机制。研究发现，2% NaOH预处理创造了惊人的"微生物协作舞台"：不仅使甲烷产量飙升至380.9 mL/g VS，更首次揭示粘附型水解菌Proteiniphilum sp. S20的丰度比酸处理提高280.4%，而浮游的产酸菌Dysgonomonadaceae zrk40和Fermentimonas caenicola也同步激增。这种"粘附-浮游"微生物的黄金组合，就像精密的生物转化流水线，将木质纤维素高效分解为甲烷。该突破性成果发表于《Bioresource Technology》，为AD工艺优化提供了全新的微生物调控视角。

研究采用三阶段技术路线：首先通过TS/VS（总固体/挥发性固体）和组分分析量化预处理效果；其次建立批式AD系统监测甲烷产量；最后运用高通量测序解析粘附/浮游微生物群落。特别值得注意的是，实验采用预适应的AD污泥作为接种物，在25°C下驯化三周以消除背景甲烷干扰。

【Characteristics of corn stalk】部分揭示NaOH预处理对木质素-纤维素复合体的"拆解"效果显著优于HCl，为后续微生物定植创造更多结合位点。

【Microbial community dynamics】数据显示碱性环境塑造独特的微生物协作网络：粘附的Bacteroidetes bacterium RII-AN097负责初始水解，其分泌的胞外酶像"分子剪刀"剪断纤维素链；随后浮游的Dysgonomonadaceae zrk40接力转化可溶组分，形成完美的代谢接力。

【Methanogenic pathway analysis】发现NaOH组粘附型甲烷菌Methanocollius chikugoensis丰度提升306%，推动氢营养型甲烷生成途径(Hydrogenotrophic pathway)成为主导，这种"就地转化"策略显著减少中间产物的扩散损耗。

结论部分强调，NaOH预处理通过三重机制提升AD效率：物理上破坏木质素屏障增加微生物可及性；化学上促进半纤维素溶解；生物学上构建"粘附水解-浮游酸化-原位产甲烷"的高效协作链。该研究不仅首次系统阐释预处理对微生物空间分布的调控机制，更创新性提出"微生物生态位工程设计"理念——通过预处理定向塑造微生物的空间组织模式，为开发新一代AD工艺提供了理论基石。值得注意的是，32.7%的甲烷增产是在不添加外源菌剂或昂贵设备的条件下实现，展现出极高的工业化应用价值，对推动"双碳"目标下的生物质能源开发具有战略意义。