《Environmental Research》：Magnetite-assisted enhancement of stability and resilience in anaerobic digesters against hydraulic overloading and volatile fatty acid shocks
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•磁铁矿增强了厌氧消化系统在挥发性脂肪酸冲击和水力超负荷条件下的韧性。•添加磁铁矿的反应器从挥发性脂肪酸冲击中恢复的速度明显快于对照组。•即使在10天水力停留时间下，添加磁铁矿的反应器仍能维持稳定的性能。•随着单质硫的积累，硫化氢的产生受到抑制，表明发生了硫化物氧化。•活性微
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磁铁矿增强了厌氧消化系统在挥发性脂肪酸冲击和水力超负荷条件下的韧性。
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添加磁铁矿的反应器从挥发性脂肪酸冲击中恢复的速度明显快于对照组。
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即使在10天水力停留时间下，添加磁铁矿的反应器仍能维持稳定的性能。
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随着单质硫的积累，硫化氢的产生受到抑制，表明发生了硫化物氧化。
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活性微生物群落的适应性转变暗示了潜在的Methanothrix相关共生代谢。
引言
厌氧消化是一种广泛用于处理有机废物（如厨余垃圾）的技术，通过微生物群参与的系列生化反应，将有机物转化为富含甲烷的生物气体。维持这些具有不同功能的微生物之间的活性协调和代谢平衡对于实现稳定的厌氧消化至关重要，其中脂肪酸氧化菌与甲烷菌之间的电子传递是最重要的共生关系之一（Lee，2022）。这种种间电子传递在确保酸化与产甲烷过程之间的平衡方面发挥着重要作用。当种间电子传递速率与酸化速率不匹配时，厌氧消化系统会因过多挥发性脂肪酸的积累而酸化，导致工艺中断（Zhang等人，2023）。这种过程失衡通常出现在超负荷条件下，尤其是现场规模厌氧消化池天然会受到有机物和水力负荷波动的情况，在处理厨余垃圾等高有机含量底物时更为明显和频繁。因此，维持强健且活跃的种间电子传递对于厌氧消化器的稳定运行至关重要。
直接种间电子传递是种间电子传递的一种特定形式，其中有机物氧化过程中产生的电子在共生伙伴之间直接传递（Lovley，2017）。与已知的间接种间电子传递不同，后者通过富电子代谢物（如氢气和甲酸）进行介导，直接种间电子传递不需要合成或参与这些电子载体分子。这一优势使得直接种间电子传递在动力学和热力学上比间接种间电子传递更有利于挥发性脂肪酸的共生厌氧氧化，具有通过促进直接种间电子传递来增强厌氧消化系统性能和稳定性的潜力（Lee，2022）。利用导电添加剂（主要为碳基或金属基材料）来促进直接种间电子传递，已被众多研究证明是一种简单有效的方法，可加速挥发性脂肪酸的降解，尤其是热力学上难以降解的脂肪酸（Cruz Viggi等人，2014；Jing等人，2017；Kim等人，2025；Shekhurdina等人，2023；Zhao等人，2022）。导电物质被认为通过充当导电介质来促进细胞间的电连接，替代参与胞外电子传递的导电蛋白（Xu等人，2022）。添加导电材料日益被认可为一种有前景的策略，可促进厌氧消化微生物群落中的直接种间电子传递，在不利条件下（包括高挥发性脂肪酸浓度或超负荷）实现强健的产甲烷作用（Barrena等人，2023；Kim等人，2025；Wang等人，2021）。
大多数评估导电添加剂在促进挥发性脂肪酸稳定化方面有效性的先前研究都是在简化的人工培养基中进行的，其中仅含有特定的目标酸性物质，通常为单独或混合的丙酸和丁酸，且不添加额外的碳源或能源。近来的几项研究已证实导电添加剂在提高持续厌氧消化过程（使用乳清、厨余垃圾以及污泥与模拟城市有机废物混合物等较复杂底物）中抗有机超负荷能力方面的有效性（Baek等人，2016；Li等人，2022a；Zhuravleva等人，2023）。然而，关于导电添加剂在持续厌氧消化复杂底物过程中对水力超负荷抗性以及对挥发性脂肪酸过载或冲击稳定化效果方面的综合数据仍然缺乏。
为填补这一研究空白，本研究使用了两组重复的连续厌氧反应器进行对比分析，其中一组添加了磁铁矿，另一组未添加，使用配方狗粮（作为厨余垃圾的替代物）作为底物（Dang等人，2016）。磁铁矿因其高导电性、稳定性和磁性特性，是用于促进厌氧消化过程中直接种间电子传递的常用材料（Lee，2022）。此外，它还能通过电共生氧化将有毒且腐蚀性的硫化氢转化为单质硫，从而增强工艺稳定性和经济性（Jung等人，2023）。反应器性能在不同水力负荷条件下进行了评估，并使其经受反复的挥发性脂肪酸冲击。研究重点比较了反应器之间的工艺性能和稳定性、针对不同挥发性脂肪酸的生物量产甲烷活性以及活性微生物的丰度和群落组成，并探讨了它们之间的关系。为更全面、直接地了解微生物响应情况，本研究中活性微生物群落是在RNA水平上进行分析的（Baek等人，2021）。本研究结果有望有助于深入理解导电添加剂在增强厌氧消化过程稳定性方面的作用和效果。
章节摘要
反应器设置与运行
四台相同的全混合式连续搅拌反应器（每台有效容积为4 L）在厌氧中温条件下（35 ± 1°C）运行（图S1）。反应器分为两组重复组：一组添加磁铁矿（M反应器：M1和M2），另一组不添加（C反应器：C1和C2）。使用从处理厨余垃圾和污泥的全尺寸厌氧消化池中收集的厌氧污泥接种反应器（接种量为100%，v/v）。接种后，磁铁矿添加量（纯度>94%，
厌氧消化性能
四台实验反应器均成功启动，表现为挥发性脂肪酸快速积累后甲烷产量达到峰值（图1A和1B）。随后，在第一阶段（Phase I）的前20天内，随着残余挥发性脂肪酸降至100 mg/L以下，甲烷产量稳定在约560 mL/L·d。尽管M反应器中磁铁矿的添加量从第一阶段到第二阶段由10 mM Fe增加至20 mM Fe，但C反应器与M反应器之间未观察到显著的性能差异。
结论
本研究探讨了导电磁铁矿添加在增强厌氧消化系统在运行扰动（包括挥发性脂肪酸冲击和水力超负荷）条件下稳定性和韧性的作用。磁铁矿添加在温和运行条件下并未显著改善基础产甲烷性能，但在扰动条件下其有益效果变得明显。在挥发性脂肪酸冲击期间，M反应器的恢复速度和挥发性脂肪酸稳定化效果明显优于C反应器。
CRediT作者贡献声明
Hyungmin Choi：原创论文撰写、方法论、调查研究、概念构思。Jinsu Kim：论文审阅与编辑、验证、方法论、调查研究、概念构思。Yunjeong Choi：论文审阅与编辑、验证、调查研究。Jihun Park：论文审阅与编辑、验证、调查研究。Woohyuk Shin：论文审阅与编辑、验证、调查研究。Changsoo Lee：原创论文撰写、监督指导、项目管理、经费获取。
利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争经济利益或个人关系。
致谢
本研究由韩国研究基金会（RS-2024-00353585）提供资助，由韩国科学技术信息部提供资金支持。
Hyungmin Choi|Jinsu Kim|Yunjeong Choi|Jihun Park|Woohyuk Shin|Changsoo Lee
