稀土元素形态与剂量调控白菜废弃物厌氧消化产甲烷的微生物响应与功能适应机制研究

《Environmental Technology & Innovation》：Anaerobic digestion under nano-erbium oxide and erbium nitrate stress: Methane generation, microbial response and functional adaptation

　　

本研究以白菜废弃物为底物，系统比较了氧化铒纳米颗粒（Er?O? NPs）与六水硝酸铒[Er(NO?)?·6H?O]在不同投加剂量下对厌氧消化（AD）性能、微生物群落演替及功能适应性的影响。研究设置了空白对照（CK）及300和1500 mg/L两种剂量的Er?O? NPs（NPs-Er300、NPs-Er1500）与Er(NO?)?·6H?O（Er300、Er1500）共5个处理组。结果表明，与CK相比，NPs-Er300、NPs-Er1500、Er300和Er1500处理的累计甲烷产量（CMP）分别提高18.48%、39.44%、54.79%和29.24%（p < 0.05），其中Er300处理效果最优。Er300处理促进了挥发性脂肪酸（VFAs）的转化、pH恢复、总化学需氧量（TCOD）去除及系统稳定性提升。微生物群落分析显示，Er300处理在产甲烷高峰期富集了Methanosarcina，在末期富集了Methanothrix和Methanoculleus，呈现出产甲烷菌的时序演替特征。共现网络分析鉴定出6个关键连接菌属，其中Clostridium在Er300中相对丰度较高，可能通过水解酸化过程桥接有机质降解与后续产甲烷过程。宏基因组功能分析表明，Er300处理并未在所有代谢通路上呈现一致性的基因丰度提升，而是通过底物转运、中心碳代谢、VFA转化及产甲烷相关功能模块的协同表达实现产甲烷性能优化。值得注意的是，nano-Er?O?在诱导底物摄取和碳代谢方面的活性低于可溶性铒盐。该研究为理解不同形态稀土元素调控AD过程的机制、微生物对铒暴露的生态适应策略，以及蔬菜废弃物资源化利用提供了理论依据。

一、研究背景与意义

全球食物损失与浪费已成为资源化利用、环境治理和可持续发展领域的重要议题。果蔬废弃物通常含水量高达80–90%，富含糖类、淀粉、纤维素、可溶性有机物及有机酸，既易于腐败变质，又具有较高的生物转化潜力。白菜废弃物来源广泛、产量大、可降解组分丰富，是值得关注的厌氧消化（AD）底物之一。然而，白菜等蔬菜类底物在AD过程中存在快速水解和酸化的特征，早期阶段挥发性脂肪酸（VFAs）积累及随之而来的pH下降会抑制后续产甲烷过程，从而影响工艺稳定性和产甲烷效率。因此，在维持高效VFA转化、pH稳定、微生物互养代谢及产甲烷活性的同时提升白菜废弃物的甲烷产量，是其能源化利用的关键挑战。

近年来，纳米材料因其大比表面积、高反应活性及促进电子传递的潜力，被广泛应用于有机废弃物AD强化与能源利用研究。金属及金属氧化物纳米颗粒可通过改变底物水解、电子传递、关键酶活性及微生物群落组成来影响厌氧发酵系统的产气效率。然而，纳米材料的作用并非单纯促进，常表现出明显的剂量依赖性和双向模式特征：低剂量可能促进基质降解和甲烷产生，高剂量则可能抑制产气并导致微生物群落结构失衡。稀土元素（REEs）因其独特的电子结构和广泛的工业应用而受到关注，但其长期大规模开采和使用也可能造成环境污染和健康风险。稀土元素可通过根系吸收和叶片沉积进入植物，经土壤-植物系统迁移转化，最终转移至食物链。材料形态是影响稀土元素生物效应的重要因素，可溶性稀土盐与纳米氧化物在溶解度、生物可利用性、颗粒界面反应性及微生物暴露模式方面存在显著差异，可能在厌氧发酵系统中产生不同的过程响应。然而，目前仍缺乏不同稀土形态（尤其是纳米氧化物与可溶性稀土盐）在特定有机废弃物系统中作用差异的系统比较。因此，本研究以白菜废弃物为底物，系统比较Er?O? NPs与Er(NO?)?·6H?O在不同剂量下对AD性能、微生物群落演替和功能适应性的影响，旨在阐明不同形态铒调控AD的机制，为蔬菜废弃物资源化利用提供潜在策略。

二、主要关键技术方法

研究人员采用实验室规模厌氧消化装置，以白菜废弃物为底物、长期驯化的厌氧污泥为接种物，在35℃恒温水浴条件下进行批次实验。实验设置空白对照（CK）、NPs-Er300、NPs-Er1500、Er300和Er1500共5个处理组，每组3个重复。主要技术方法包括：采用气相色谱仪（GC9790II）测定沼气产量及甲烷含量，定期测定VFAs、pH、TCOD和NH??-N等过程参数；利用16S rRNA基因扩增子测序（V3–V4区，Illumina NovaSeq平台）表征微生物群落组成与演替；采用宏基因组测序（PE150双端测序）分析代谢功能差异；使用修正Gompertz模型拟合累计甲烷产量数据以估算产甲烷潜力。测序数据已提交至NCBI Sequence Read Archive（PRJNA1524270）和SRA数据库（PRJNA1531107）。

三、研究结果

3.1 不同形态铒对白菜废弃物产气特性的影响

铒处理组的甲烷含量较CK更早上升。Er300和Er1500处理在第17天左右达到峰值甲烷含量57.10%和57.89%，CK在第20天左右达到最大值约55.05%，NPs-Er300和NPs-Er1500的峰值甲烷含量分别约为52.70%和53.85%。最终累计甲烷产量（CMP）在CK、NPs-Er300、NPs-Er1500、Er300和Er1500中分别为413.06±16.46、489.38±10.94、575.95±88.74、639.38±58.51和533.83±108.45 mL，相对CK分别提高18.48%、39.44%、54.79%和29.24%（p < 0.05）。修正Gompertz模型拟合结果显示R2在0.997–0.999之间，表明模型能较好描述产甲烷动力学过程。与CK相比，各处理组滞后时间（λ）总体呈缩短趋势，其中NPs-Er1500、Er300和Er1500组缩短更为明显。Er300处理的最大甲烷潜力（H_max）和最大产甲烷速率（R_max）均为最高，表明低浓度铒离子对甲烷生成具有最强的促进作用。

各处理组VFAs总量在发酵中期显著增加，第15天达到峰值后逐渐下降，表明系统经历了从强化酸化到产甲烷阶段的典型转变过程。乙酸始终是各组的主要组分，丙酸及其他脂肪酸含量相对较低，表明系统以乙酸型发酵途径为主。CK组VFAs峰值最高，而NPs-Er300和Er300组峰值较低且下降更快，表明不同形态铒处理可促进中间产物的进一步转化。各处理组pH在早期相对较低，随后随VFAs降低逐渐恢复并稳定在中性范围，其中Er300和NPs-Er1500组恢复较快，系统稳定性较高。各处理组TCOD随发酵时间延长显著下降，铒处理组中后期TCOD较低，表明铒添加促进了有机物转化。NH??-N浓度先升高后保持稳定，各处理组均低于抑制阈值，系统运行在最优范围内。

3.2 外源铒添加对白菜废弃物厌氧消化微生物群落的影响

Er300处理表现出相对较高的Shannon多样性值。主坐标分析（PCoA）和β多样性比较显示处理相关的群落组成分离模式。在门水平上，Bacillota、Bacteroidota、Pseudomonadota和Chloroflexota是各处理组的优势菌门，这些菌门通常与AD系统中的水解、发酵、产酸和VFA转化相关。在属水平上，检测到Proteiniphilum、Fonticella、Clostridium、Bacteroides、Aminobacterium和Caproiciproducens等多种发酵和互养代谢菌属。Proteiniphilum具有利用糖类和蛋白质相关底物的能力，其发酵产物包括CO?、H?、乙酸、甲酸、丙酸、异戊酸等，与本实验中VFA的生成相对应。Aminobacterium属于典型的厌氧氨基酸降解相关菌属，可通过发酵氨基酸产生乙酸、H?或丙酸等产物，其存在可能与蛋白质/氨基酸降解及NH??-N释放相关。

四种主要产甲烷古菌属在AD过程中呈现明显的时序演替模式。Methanosarcina在产气高峰期附近相对丰度较高，尤其在Er300处理中；Methanothrix在后期阶段更为突出，在Er300中达到较高丰度；Methanoculleus也在后期阶段增加；Methanobacterium在产气高峰期附近相对富集，尤其在Er1500和NPs-Er300中。Methanothrix通常被认为是高亲和力的乙酸营养型产甲烷菌，生长速率较慢，倾向于在低乙酸浓度下占优势；Methanosarcina则表现出更广泛的代谢灵活性，可利用乙酸营养型、甲基营养型以及在适当条件下的氢营养型产甲烷途径。在Er300处理中，产气高峰期Methanosarcina的较高丰度与甲烷快速积累时期相吻合，而后期Methanothrix和Methanoculleus的增加与VFA浓度下降及持续产甲烷相对应。这些时序模式与Er300中观察到的较高CMP总体一致，但属于时间关联而非直接因果关系的证据。

3.3 微生物网络共现分析

共现网络包含136个节点，平均度为8.96，平均路径长度为3.28，表明网络节点连接紧密，厌氧消化器中微生物间可能存在密切的代谢相互作用。基于聚类分析，共现网络被划分为7个模块。通过计算模块内连通性（Zi）和模块间连通性（Pi），共鉴定出6个连接菌属，包括BD1–7_clade、Clostridium、Colidextribacter、NK4A214_group、Sphingomonadaceae_unclassified和UCG-009。其中Clostridium是最丰富的连接菌属，连接度为1，在CK、NPs-Er300、NPs-Er1500、Er300和Er1500中的相对丰度分别为7.04%、5.14%、6.50%、6.93%和3.51%。Clostridium可能通过水解、酸化和VFA生成过程将前端有机质降解与后续产甲烷过程连接起来。其在Er300组中的较高比例表明适量离子态铒有利于维持微生物模块间的代谢协同，而在Er1500和NPs-Er300中的丰度下降可能削弱这种桥接效应。

3.4 铒暴露引起的代谢差异

京都基因与基因组百科全书（KEGG）三级通路比较揭示了处理相关的宏基因组功能谱差异，而非所有代谢通路的统一增加。ATP结合盒（ABC）转运蛋白（ko02010）、丙酮酸代谢（ko00620）、糖酵解/糖异生（ko00010）、甲烷代谢（ko00680）、丁酸代谢（ko00650）和丙酸代谢（ko00640）等通路在各处理组中相对丰富。在NPs-Er300中，与ABC转运蛋白、糖酵解/糖异生、丙酮酸代谢、有机酸代谢和甲烷代谢相关的若干通路相对丰度高于CK，表明低剂量Er?O? NPs处理与更大的底物转运和中心碳代谢遗传潜力相关。相比之下，NPs-Er1500仅在这些通路的子集中显示增加，表明宏基因组响应呈剂量依赖性而非在高浓度下均匀增强。值得注意的是，CMP最高的Er300并未在所有KEGG通路上表现出比CK一致更高的相对丰度，表明其良好的产甲烷性能并非与代谢基因总体丰度的普遍增加相关，而可能与底物转运、中心碳代谢、VFA转化和产甲烷等特定过程的协调功能潜力有关。

3.5 甲烷代谢关键基因

对参与产甲烷过程的关键KO基因相对丰度进行了比较，包括fwd/fmd、ftr、mch、mtd、mer、mtr、mcr和hdr，这些基因与C1单元转化、甲基转移、辅酶循环、电子传递和末端甲烷生成反应的连续步骤相关。在CO?还原途径中，fwd/fmd参与CO?还原为甲酰甲呋喃，随后依次涉及ftr、mch、mtd和mer催化的反应。mtr复合体介导甲基从甲基四氢甲烷蝶呤（methyl-H?MPT）转移至辅酶M（CoM），而由mcr编码的甲基辅酶M还原酶催化末端甲烷生成步骤。由hdr编码的异二硫键还原酶参与CoM-S-S-CoB的还原和产甲烷所需还原型辅酶的再生。hdrA、hdrB和hdrC在各处理组中表现出相对较高的丰度，表明与异二硫键还原和辅酶再生相关的基因是AD系统中产甲烷功能潜力的重要组成部分。在Er300处理中，mcrA/B/G、mtrA/mtrH、mtd及若干fwd/fmd亚基保持相对丰富，这些模式与Er300中观察到的较高CMP总体一致。但Er300并未在所有产甲烷相关基因上呈现一致增加，表明其良好的产甲烷性能可能与若干关键产甲烷功能模块的协调表达相关，而非整个通路的普遍富集。

四、讨论与结论

本研究系统比较了Er?O? NPs与Er(NO?)?·6H?O在不同剂量下对白菜废弃物AD性能、微生物群落演替和功能适应性的影响。研究结果表明，铒的形态和剂量共同决定了其对AD过程的调控效果，Er300处理在促进甲烷产量、VFA转化、pH恢复、TCOD去除和系统稳定性方面表现最优。微生物群落分析揭示了产甲烷菌属的时序演替模式，共现网络分析鉴定出Clostridium等关键连接菌属在维持微生物模块间代谢协同中的潜在作用。宏基因组功能分析表明，Er300的产甲烷性能优势并非源于代谢基因的普遍富集，而是特定功能模块的协调表达。研究还发现nano-Er?O?在诱导底物摄取和碳代谢方面的活性低于可溶性铒盐，提示材料形态对微生物功能调控具有重要影响。该研究为理解不同形态稀土元素调控AD的机制、微生物对铒暴露的生态适应策略提供了新的见解，并为蔬菜废弃物的资源化利用提供了潜在的技术策略。