间歇光照实现红假单胞菌可逆碳缓冲，增强食品废物厌氧消化甲烷回收

《Bioresource Technology》：Intermittent illumination enables reversible carbon buffering by Rhodopseudomonas palustris for enhanced methane recovery from food waste anaerobic digestion

　　

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  间歇光照减少了挥发性脂肪酸（VFA）的积累和 H₂ 分压。
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  产甲烷量达到 589.0 mL d^-1，其中 37.2% 的碳以甲烷形式回收。
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  明暗循环调节了 PHA 的可逆储存和再动员。
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  光照时机改变了光合红假单胞菌和产甲烷菌的液相 - 壁相分布。
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  宏基因组图谱表明具有 PHA 周转和产甲烷作用的潜力。

引言

厌氧消化（AD）广泛用于稳定有机废物并回收甲烷（Fonoll Almansa 等，2023；Xu 等，2023）。食品废物（FW）具有高生物降解性和碳富集特性，但其快速发酵性会在下游转化能力不足时增加酸化的风险（Wu 等，2022；Xiao 等，2024）。AD 依赖于水解、发酵、互营和产甲烷菌群之间协调的代谢相互作用（Kieft 等，2023；Chang 等，2025）。水解和发酵细菌迅速将有机物转化为挥发性脂肪酸（VFAs）和 H₂，而互营氧化菌和产甲烷古菌的转化可能滞后。互营 VFA 氧化在热力学上受限，需要较低的 H₂ 分压（Wu 等，2022）。当有机负荷超过下游转化能力时，VFA 和 H₂ 会积累，导致 pH 下降并抑制产甲烷作用（Nguyen 等，2019；Wu 等，2022）。在进料后酸化高峰期间重定向过量碳，同时保留其用于后续转化，可能在不牺牲甲烷回收率的情况下缓解酸化。

紫色非硫细菌（PNSB）提供了调节这种失衡的潜在手段。Rhodopseudomonas palustris（R. palustris），一种代谢多样的 PNSB，可在光照下同化 VFA，并将 VFA 衍生的碳分配到生物量或胞内聚羟基脂肪酸酯（PHA）储备中（Dan 等，2023）。当外部碳源或能量有限时，这些储备可被动员（Lai 等，2017；Wu 等，2021），而光照和黑暗下的碳饥饿会在R. palustris中引发不同的代谢响应（Kanno 等，2018）。这种可逆储存能力表明，R. palustris可能在快速酸化期间捕获过量的发酵衍生碳，并在黑暗中再动员胞内储备，从而潜在提高下游产甲烷作用的碳可用性。

此前关于光养增强 AD 的研究主要集中于连续光照或光强度的优化（Ji 等，2025；Seriki 等，2025）。在光照条件下，光合细菌的生物强化已被证明可加速 VFA 去除并增强甲烷产量（Zhao 等，2020；Sun 等，2023）。然而，在酸化高峰之后保持光照可能会延长碳同化，并倾向于将碳保留在生物量或储存库中（Dan 等，2023；Sun 等，2025）。相比之下，间歇光照可以缓解光抑制，增强光合电子传递，并与连续光照相比改变 PNSB 的碳代谢（Lu 等，2022；Sun 等，2025；Wang 等，2025a）。在 FW AD 中，尚不清楚光照时机能否调节R. palustris的可逆碳储存，并协调酸化与随后的产甲烷作用。

FW 消化液和浓缩的紫色光养细菌培养物会强烈衰减入射光（Chuka-Ogwude 等，2021；Capson-Tojo 等，2022）。随着光照供应在反应器壁周围，光强度预计会向反应器内部递减。因此，光异养活性可能集中在受光照的壁附近，而主体液体保持相对黑暗。R. palustris可以在光异养条件下附着在表面并形成生物膜（Fritts 等，2017）。这种配置可能产生不同的壁结合相和液相生态位，从而影响代谢物交换和甲烷形成。光照时机是否重组这些生态位并进而影响碳分配和甲烷回收率尚不清楚。

因此，我们假设与进料后酸化高峰同步的间歇光照将使R. palustris能够将过量的 VFA 衍生碳暂时转向胞内 PHA 储备。在黑暗阶段，这些储备将被再动员，从而增加甲烷形成的碳可用性。我们整合了反应器性能、PHA 周转、生理指标、空间群落结构和宏基因组功能潜力。这些分析用于确定光照时机能否使R. palustris充当可逆碳缓冲器，从而将酸化期间的临时碳储存与随后的碳再动员和甲烷形成联系起来。

章节片段

底物和接种物

FW 是参照先前的研究（Wang 等，2025b）在实验室准备的。每批含有 400 克蒸米饭、300 克绿叶蔬菜、200 克瘦猪肉和 100 克豆腐。烹饪后，原料经机械研磨、均质化，并用蒸馏水稀释至最终体积 2.0 升。厌氧污泥收集自中国重庆唐家沱污水处理厂（WWTP）的消化池作为接种物。FW 的理化特性

AD 性能

在第一阶段（0-21 天）期间，所有反应器的日产甲烷量逐渐稳定，加入R. palustris的组别（DP、H 和 J）始终高于 D 组（图 1a）。在第二阶段（22-72 天）有机负荷率（OLR）增加到 2.0 g VS L^?1 d^?1 后，所有反应器的甲烷产量 initially 增加，但随后各组间出现分化。D 组的日产甲烷量在第 53 天降至 90 mL d^?1，显著低于加入组，表明严重

结论

间歇光照通过减少 VFA 积累和 H₂ 分压同时增加甲烷回收率，提高了高有机负荷下食品废物厌氧消化的性能。碳平衡揭示了不同光照制度下不同的碳分配，而纯培养实验显示R. palustris具有可逆的 PHA 储存和再动员能力。PHA 在 2-6 小时的光照期间积累，并在黑暗中再动员。间歇光照

CRediT 作者贡献声明

张文静：写作 – 原稿、可视化、方法学、调查、正式分析、数据管理、概念化。李小云：调查、正式分析、数据管理。张心宇：调查、正式分析、数据管理。张万全：调查、正式分析、数据管理。顾莉：写作 – 审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、资金获取、概念化。陈永东：写作 – 审阅与编辑、监督，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究受国家自然科学基金（资助号 52670163）资助。作者感谢重庆南开中学杨文熙协助英文润色。

张文静 | 李小云 | 张心宇 | 张万全 | 顾莉 | 陈永东 | 艾海南