餐厨垃圾厌氧发酵同步生产结构性胞外聚合物和挥发性脂肪酸

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Simultaneous production of structural extracellular polymeric substances and volatile fatty acids from anaerobic fermentation of food waste

　　**摘要/作者信息**- 成功实现了从食物废弃物中同步生产挥发性脂肪酸（VFAs）和成胶性结构性胞外聚合物（SEPS）。- 在S/I = 1条件下发酵4天提供了协同回收的有利早期收获窗口。- SEPS凝胶的稳定性与活性污泥来源的相当。- SEPS-VFAs同步回收策略获得了最高的估算净效益。- 梭菌属（*Clostridium*）和酷热杆菌属（*Carnobacterium*）分别与VFAs和SEPS的产生相关。---**引言**全球约三分之一的食物产量被浪费，若得不到妥善处理，将导致严重的环境和社会问题[1], [2], [3]。目前，约有一半的食物废弃物被填埋处理[4]，这占用了大量土地资源并加剧了温室气体排放[5]。厌氧发酵为食物废弃物的资源化利用提供了一个有前景的方案。由于食物废弃物具有高生物降解性且易于快速酸化，产甲烷过程可被自然抑制；因此，挥发性脂肪酸（VFAs）可作为高附加值产品积累[6]。然而，在从液相中回收VFAs后，发酵固体残渣中仍残留大量有机物，这为资源回收提供了额外的机遇。在厌氧处理的水解和酸化阶段，发酵微生物的快速增殖可促进胞外聚合物（EPS）的积累，提供了一种可回收生物聚合物的潜在来源[7], [8]。结构性胞外聚合物（SEPS），也称为藻酸盐样胞外聚合物或成胶性EPS，是EPS中贡献基质凝聚力的结构性功能组分，可通过与多价离子的交联形成水凝胶[9], [10], [11]。与更广泛的EPS组分不同，后者包含微生物释放的多种大分子，参与微生物保护、粘附和通讯[7], [12]，SEPS在微生物基质中以其结构和成胶功能而区别于其他组分。得益于这些结构和成胶特性，SEPS在多种应用领域引起了关注。例如，SEPS已被应用于纺织材料的功能性涂层[13], [14]，而经化学修饰的SEPS可用作回收Cu2?等二价金属离子的可循环吸附剂[15]。基于SEPS的材料在种子包膜等农业应用中也显示出潜力[16]。SEPS回收的经济潜力也得到了认可；预计到2030年，荷兰的产量将达到85,000吨，对应估算价值约1.7亿欧元[17]。此外，有报道指出，从污泥中回收SEPS可减少污泥体积20–30%，并改善污泥的脱水性能[18], [19], [20]。以往关于食物废弃物厌氧发酵的研究主要集中在最大化VFAs产量[21], [22]，而EPS/SEPS回收主要使用活性污泥、好氧颗粒污泥或厌氧消化污泥进行探究[9], [23], [24], [25]，如表S3所示。整合生物炼制策略也被开发用于从有机废弃物中回收多种产品。例如，通过酸化发酵可从食物废弃物中同步生产VFAs和生物氢气[26]。碳和氮已从食物废弃物发酵液中以VFA插层层状双氢氧化物和NH?HCO?的形式回收[27]。在废活性污泥与食物废弃物共发酵过程中，VFAs和以磷灰石（vivianite）形式存在的磷也得到了同步回收[28]。然而，这些策略主要针对可溶性碳产品、矿物养分或气态能源载体，而VFAs生产后的残余固体部分很少被进一步资源化用于生物聚合物提取。特别是，通过一步食物废弃物发酵工艺将液相VFAs生产与从残余固体中提取成胶性SEPS相结合的策略尚未得到系统研究。这种方法可以实现对液相和固相更整合的资源化利用。底物与接种物比（S/I）是厌氧发酵中的重要操作参数，因为它影响有机负荷、酸化程度、微生物活性以及发酵产物的后续分配。参与VFAs生产的产酸微生物通常在弱酸性条件下表现出高活性，而产甲烷古菌更倾向于在近中性pH条件下生长[29], [30], [31], [32]。因此，S/I比的变化可以改变酸化程度，对水解菌、产酸菌和产甲烷微生物施加不同的选择压力，从而影响VFAs和SEPS的产生时机和积累。同时，延长厌氧发酵时间可能促进EPS等复杂底物的降解。因此，确定合适的收获窗口对于平衡SEPS回收与将有机物进一步转化为VFAs或甲烷至关重要。该整合回收策略相对于仅产VFAs和以产甲烷为导向的路径的经济性能仍有待评估。本研究调查了食物废弃物厌氧发酵过程中VFAs同步生产与SEPS回收情况，并评估了SEPS组成和成胶特性的相关变化。在不同S/I比下进行厌氧发酵，以评估其对VFAs和提取SEPS的产量及时间动态的影响。表征了SEPS的组成和Ca2?交联凝胶稳定性，并使用自保留系数（R）来量化标准化扰动下的结构保留情况。进行了微生物群落分析、相关分析和功能基因预测，以探索与VFAs和SEPS生产相关的微生物类群和潜在功能。最后，进行了经济评估，比较了SEPS-VFAs同步回收策略与仅产VFAs和仅产甲烷情景的估算经济性能。---**章节摘要****原料**本研究使用的食物废弃物采集自筑波大学食堂。食物废弃物由面条、米饭、蔬菜、果皮和肉类组成，质量比为8:8:2:1:1。加入两倍食物废弃物体积的去离子水，并使用食品加工机彻底均质化混合物。制备好的食物废弃物在4°C下储存备用。取自日本茨城县筑西市下馆污水处理厂（Shimodate）的厌氧消化污泥用作……---**VFAs产量和组成的变化**在不同S/I比下，VFAs积累呈现明显的时间动态模式（图1a）。在S/I = 1时，VFAs在第12天升至最高水平169.7 mg/g VS-底物（224.4 mg COD/g VS-底物），随后逐渐下降，到第36天急剧降至接近零。相比之下，在S/I = 2和3时，VFAs在第8天首次达到峰值，分别为161.4和129.7 mg/g VS-底物（236.8和207.2 mg COD/g VS-底物），并保持该水平至第24天，随后再次升高，达到256.4……---**结论**本研究证明，在食物废弃物厌氧发酵过程中，SEPS可与VFAs同步产生。在S/I比为1的条件下发酵4天后，达到最高总产品产量258.8 mg/g VS-底物，其中包括125.9 mg/g VS-底物的净可回收SEPS和132.9 mg/g VS-底物的VFAs。基于总有机碳（TOC）的进一步分析表明，在该早期收获点，SEPS和VFAs的净碳回收率为27.2%。在更高的S/I比下，更强烈的……---**CRediT作者贡献声明****Rungen Zeng：** 撰写-审阅与编辑，撰写-原稿撰写，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。**Chen Shi：** 方法论，概念化。**Kazuya Shimizu：** 监督指导。**Tian Yuan：** 撰写-审阅与编辑，监督指导，项目管理，资金获取，概念化。**Zhongfang Lei：** 监督指导，项目管理。**Zhenya Zhang：** 监督指导，项目管理。---**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些关系可能被认为影响了本文报告的工作。---**致谢**本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）青年科学家资助计划（24K17993）、科学研究B类（26K01860）和科学研究A类（24H00767; 25H01204）的支持。Rungen Zeng感谢中国国家留学基金管理委员会（编号：202308110079）资助其在日本筑波大学的学习。---**作者：** Rungen Zeng | Chen Shi | Zhongfang Lei | Zhenya Zhang | Kazuya Shimizu | Tian Yuan