硫酸铁改性生物炭在淹水稻田系统中的双重应用：甲烷减排与重金属风险控制

本研究针对复杂底物厌氧消化(AD)中微生物互营效率低、甲烷产率不稳定的问题，系统探讨了粉末活性炭(PAC)添加与反应器操作模式(连续流CFR/序批式SBR)对葡萄糖-蛋白胨混合底物生物甲烷化的协同影响。通过多模型动力学分析与微生物生态学解析，发现CFR模式显著提高反应速率，PAC缩短延滞期但线性化产甲烷曲线；Bertalanffy模型(BTM)最适配复杂底物动力学，水解是限速步骤；微生物群落证实CFR更富集Geobacter和Methanothrix等电活性菌，揭示了PAC通过促进直接种间电子转移(DIET)增强能量代谢的机制，为优化废弃物处理工艺提供了理论依据。

　　

随着全球对可再生能源需求的不断增长，厌氧消化(Anaerobic Digestion, AD)技术作为将有机废弃物转化为沼气的重要生物处理过程，受到越来越广泛的关注。然而，这一多阶段微生物参与的复杂过程，却常常因底物特性差异、微生物互营效率低下等问题，导致挥发性脂肪酸(VFA)积累、系统酸化甚至彻底失败。特别是在处理成分复杂的有机废弃物时，如何优化系统运行条件、强化微生物间的电子传递效率，成为提高甲烷产率和系统稳定性的关键挑战。

近年来，添加导电材料(Conductive Materials, CMs)如粉末活性炭(PAC)被证实可通过促进直接种间电子转移(Direct Interspecies Electron Transfer, DIET)增强产甲烷效率，但以往研究多聚焦简单底物，其在复杂底物系统中的适用性、对微生物生态及动力学参数的深层影响仍不明确。此外，反应器运行方式（如连续流与序批式）如何与导电材料协同调控功能微生物群落，亦缺乏系统研究。

为此，来自爱尔兰高威大学的Mabruk Adams在《Environmental Technology》上发表论文，通过设置互补的连续流(CFR)和序批式反应器(SBR)，结合多种动力学模型与高通量测序技术，深入解析了PAC在葡萄糖-蛋白胨复杂底物厌氧消化中的作用机制与微生物生态响应，为导电材料辅助的厌氧消化工艺优化提供了重要理论依据和实践指导。

本研究主要采用批量实验测定水解与甲烷化动力学参数，运用一级动力学模型拟合水解过程，并选取Modified Gompertz、Logistic、Transference、Richards和Bertalanffy共5种模型模拟产甲烷动力学；通过16S rRNA基因扩增子测序分析微生物群落结构，利用网络分析揭示微生物互作关系；借助统计指标（如调整R2、AICc、MAPE）评估模型拟合优度；通过比较k_h/R_m′比值判定限速步骤。

^{3.1. Effects of substrate characteristics and operational conditions on metabolic activities}

通过底物特异性批量实验发现，CFR中的水解速率常数普遍高于SBR；PAC的添加在SBR中提高了葡萄糖水解速率，但在CFR中反而降低，推测因PAC短期内扰动了原有微生物互营关系。蛋白胨系统中，PAC则显著提升水解活性。复杂底物因组分抑制表现出更低水解速率，证实底物互作对水解效率的关键影响。

^{3.1.2. Kinetics of CH₄ production}

采用五种模型拟合产甲烷过程显示，CFR的累积甲烷曲线更符合S型函数，模型拟合优度更高；PAC添加虽缩短延滞期，却导致曲线线性化，降低模型拟合度。在所有场景中，Bertalanffy模型(BTM)展现出最优的预测性能，尤其适用于缺乏明显指数期的复杂底物系统。速率常数比较表明，除蛋白胨SBR对照组外，所有系统的k_h/R_m′比值均≤1，表明水解是限速步骤。

^{3.2. Microbial Community Structure}

微生物群落分析表明，SBR具有更高多样性，但CFR富集了更多功能明确的互营菌和产甲烷菌。PAC添加对SBR群落结构影响更大，显著提高微生物多样性；而在CFR中，群落结构更稳定。CFR中Geobacter（相对丰度34.0–72.6%）、Syntrophobacter及Methanothrix等电活性菌显著富集，而SBR中则以Propionibacterium等产丙酸菌及Desulfobulbus等硫酸盐还原菌为主。PAC添加促进Mesotoga、Syntrophobacter等互营菌生长，并增强Methanothrix与氢otrophic产甲烷菌的互作。

^{3.2.3. Core functional metabolic genes}

能量代谢相关基因分析显示，CFR中ATP酶基因总丰度更高，产甲烷菌是主要贡献者；而SBR中细菌负责主要能量代谢。PAC在SBR中提升电子传递系统(Electron Transfer System, ETS)基因丰度，在CFR中则轻微下调。c型细胞色素基因在PAC添加后于SBR中下调、CFR中上调，表明不同操作模式下电子传递机制存在差异。Geobacter、Methanothrix与Methanosarcina等菌株携带的ETS基因丰度较高，暗示其参与DIET过程的潜力。

^{3.2.4. Network analysis of microbial ecological niches}

微生物共现网络分析揭示，CFR和PAC添加系统中共有180个显著正相关关系，其中Geobacter与各类互营菌及产甲烷菌（如Methanothrix、Methanosarcina）均存在强关联（相关系数≥0.8），进一步支持DIET在PAC促进复杂底物厌氧消化中可能起关键作用。

本研究通过整合动力学分析与微生物生态学解析，明确揭示了反应器运行模式与PAC添加对复杂底物厌氧消化的协同影响：CFR模式更利于富集电活性微生物（如Geobacter、Methanothrix），提高互营效率和甲烷产率；PAC虽缩短延滞期，但可能线性化产甲烷曲线，降低模型拟合度。Bertalanffy模型(BTM)被证实最适合模拟复杂底物动力学。微生物群落和功能基因分析表明，PAC通过促进互营细菌与产甲烷菌间的电子传递（可能通过DIET途径），尤其强化了后端产乙酸和产甲烷过程，从而提升系统性能。

该研究不仅为导电材料辅助的厌氧消化工艺优化提供了深入的理论见解，还为不同底物特性下的反应器选型与操作策略提供了实践指导。未来研究可进一步通过转录组学、蛋白质组学手段验证DIET相关基因表达，并结合电化学方法直接监测电子传递过程，以全面揭示PAC强化厌氧消化的分子机制。