粉末活性炭辅助复杂底物厌氧消化的动力学与生态学机制研究：揭示反应器运行模式与微生物协同代谢的相互作用

本研究针对复杂底物厌氧消化(AD)过程中存在的代谢效率低、系统稳定性差等问题，通过对比序批式(SBR)与连续流(CFR)反应器在粉末活性炭(PAC)辅助下的运行效果，结合多模型动力学分析和微生物生态学解析，揭示了PAC对水解/产甲烷速率的差异化影响机制，明确了改性Bertalanffy模型(BTM)对复杂底物动力学拟合的优越性，为导电材料强化厌氧消化工艺提供了理论依据和技术支撑。

　　

随着全球能源转型和碳中和目标的推进，厌氧消化(Anaerobic Digestion, AD)技术作为有机废弃物资源化利用的重要手段备受关注。然而，复杂有机底物（如餐厨垃圾、污泥等）的厌氧消化过程存在水解效率低、中间产物积累、系统稳定性差等瓶颈问题。特别是蛋白质和碳水化合物等复杂组分的协同降解过程中，常常出现代谢不平衡现象：葡萄糖等碳水化合物水解产物会抑制蛋白酶活性，进而阻碍蛋白质的生物降解；而挥发性脂肪酸(VFA)和H₂的积累（H₂分压>10^-4 bar）更会导致系统酸化甚至完全失效。

为了解决这些难题，研究人员开始探索添加导电材料(Conductive Materials, CMs)的策略。粉末活性炭(Powdered Activated Carbon, PAC)作为一种典型的导电材料，能够促进微生物间的电子传递，增强生物膜形成，并提供微生物生长所需的营养元素。然而，PAC对特定底物的生物动力学影响、其与不同反应器运行模式的交互作用，以及背后的微生物生态学机制尚不明确。

在此背景下，Mabruk Adams等在《Environmental Technology》上发表了针对这一问题的系统性研究。研究人员设计了一套精巧的实验方案，分别建立了序批式反应器(SBR)和连续流反应器(CFR)两套系统，包括对照组(SBR_CON、CFR_CON)和PAC添加组(SBR_PAC、CFR_PAC)，以葡萄糖和蛋白胨作为模式底物进行长期中温厌氧消化实验。研究采用了多学科交叉方法：通过批次实验测定水解和产甲烷动力学参数；运用五种动力学模型（Modified Gompertz、Logistic、Transference、Richards和Bertalanffy模型）进行拟合优度比较；结合16S rRNA基因测序分析微生物群落结构；利用宏基因组学方法解析能量代谢和电子传递相关功能基因；最后通过共现网络分析揭示微生物间的互作关系。

关键技术方法包括：（1）反应器构建与运行：建立互补的SBR和CFR系统，HRT控制在48小时，PAC添加浓度为1 g/L；（2）批次实验设计：采用160 mL玻璃瓶，食物与接种物比例设定为0.5，初始COD浓度为1 g/L；（3）动力学表征：采用一级动力学模型分析水解过程，五种模型拟合产甲烷过程；（4）微生物生态分析：通过16S rRNA测序和生物信息学分析揭示群落结构差异；（5）功能基因注释：重点分析ATP酶和电子传递系统相关基因的分布规律。

研究结果揭示了多个重要发现：

3.1. 底物特性和运行条件对代谢活性的影响

动力学分析表明，CFR系统实现了显著更高的反应速率(p<0.05)，产甲烷启动主要取决于运行模式，但PAC添加始终缩短延滞期。改性Bertalanffy模型(BTM)能更准确地模拟单一和复杂底物的产甲烷动力学。除蛋白胨喂养的SBR_CON外(k_h/R_m′值为1.128)，所有系统的k_h/R_m′值均≤1，表明水解是限速步骤。

3.2. 水解和产甲烷过程的比较

CFR系统表现出更好的丙酸盐和乙醇代谢适应性，而SBR系统始终获得较差的产甲烷效率。PAC的促进作用在产乙酸和产甲烷后端子过程中更为明显。

3.3. 微生物群落结构

微生物多样性分析显示，SBR具有更高的微生物多样性，但CFR表现出更好的功能性能。CFR中Methanothrix(9.437%)和Methanobacterium(2.679%)为主要优势古菌，而SBR中Brooklawnia(19.99%)、Propionibacterium(7.61%)等产酸菌占主导。Geobacter在CFR中的相对丰度达到34.0-72.6%，但在SBR中几乎检测不到。

3.3.1. 功能微生物组与代谢途径

水解阶段：SBR中富含Sphaerochaeta(6.016%)等碳水化合物降解菌，CFR中则以Alkaliflexus、Bacteroides等为主。

酸生成阶段：SBR中丙酸盐产生菌占优势，CFR中富含Lentimicrobium等丁酸盐和乙醇产生菌。

产乙酸阶段：CFR中Syntrophobacter(27-100倍富集)等互营丙酸盐氧化菌显著富集，SBR中Desulfobulbus(18.188%)等不完全氧化菌占主导。

产甲烷阶段：Methanothrix在所有系统中都是主要甲烷古菌，CFR中氢营养型甲烷菌也更丰富。

3.3.2. 核心功能代谢基因

能量代谢：CFR中ATP酶基因总相对丰度比SBR高30.6%，产甲烷菌是CFR中主要的ATP生产者，而细菌是SBR中主要的ATP贡献者。

电子传递：CFR中电子传递相关基因更丰富，PAC在SBR中增强电子传递44%，在CFR中略微降低10%。c型细胞色素合成基因在SBR中PAC添加后下调，在CFR中上调。

3.3.3. 微生物生态位网络分析

共现网络分析揭示了28种互营细菌和5种产甲烷古菌之间的180个显著正相关关系。Geobacter与所有产甲烷古菌（除Methanospirillum外）都有密切联系，特别是与Methanosarcina(相关系数≥0.8)、Methanothrix和Methanobacterium等DIET伙伴的良好相关性。

研究结论与讨论部分指出，这项研究系统地阐明了PAC辅助复杂底物厌氧消化的动力学和生态学机制。主要结论包括：第一，反应器运行模式是影响微生物群落结构和功能性能的关键因素，CFR更适合富集电活性微生物和实现高效产甲烷；第二，PAC添加主要通过促进后端产乙酸和产甲烷过程来提高系统性能，特别是通过增强互营代谢和可能的直接种间电子传递(DIET)过程；第三，改性Bertalanffy模型(BTM)在拟合复杂底物产甲烷动力学方面表现出优越性，特别是在缺乏明显指数生长阶段的系统中；第四，微生物能量代谢分析表明，产甲烷菌是CFR中主要的能量生产者，而细菌是SBR中主要的能量贡献者，这反映了不同运行模式下微生物代谢策略的差异。

这项研究的重要意义在于为导电材料强化厌氧消化工艺提供了深入的理论基础和技术指导。研究结果表明，针对不同类型的底物和处理目标，可以选择不同的反应器运行策略：连续流反应器更适合高效产甲烷，而序批式反应器更适合蛋白质富集底物的处理。PAC添加的最佳时机可能是在产甲烷阶段，结合两阶段厌氧消化系统和靶向生物强化，可以进一步优化系统性能。这些发现对于设计高效、稳定的工业规模厌氧消化系统具有重要的实践价值，为有机废弃物资源化利用和可再生能源生产提供了科学依据和技术支撑。