《Bioresource Technology》：A hydrogen-adapted microbial community enhances
in situ biomethanation robustness under increasing organic loading rate
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摘要专业翻译
厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）是一种成熟且灵活的技术，可将有机残留物转化为沼气。其高适应性使其在不同规模和场景下得到广泛应用，以热能、电能或生物甲烷（bioCH?）等形式支持可再生能源生产。生物甲烷被定义为通过去除CO
摘要专业翻译
厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）是一种成熟且灵活的技术，可将有机残留物转化为沼气。其高适应性使其在不同规模和场景下得到广泛应用，以热能、电能或生物甲烷（bioCH?）等形式支持可再生能源生产。生物甲烷被定义为通过去除CO?、水分及其他污染物对沼气进行提纯后获得的近纯CH?。在能源系统脱碳背景下，生物甲烷日益被推广为化石天然气的可持续替代品，因其可避免与化石燃料开采和使用相关的碳排放。然而，生物甲烷的大规模部署仍受限于其相较于天然气的高生产成本。特别是沼气提纯步骤（即获得生物甲烷的关键环节）占生物甲烷生产总成本的11–22%，且可能导致逸散性CO?排放。为克服上述限制，替代性提纯技术受到广泛研究，其中生物沼气提纯因能在温和操作条件下将CO?转化为CH?而成为有前景的方案。
化能自养沼气提纯，即生物甲烷化（biomethanation），依赖氢营养型产甲烷菌（hydrogenotrophic methanogens, HMs）通过额外供给H?将CO?转化为CH?。该生物催化反应在比物理化学提纯技术更低的温度和压力下运行，具有较低的操作成本。生物甲烷化是一种H?供给型AD系统，既可在专用反应器中实施（即异位生物甲烷化，ex situ biomethanation），也可将H?直接注入厌氧消化器（即原位生物甲烷化，in situ biomethanation）。在原位生物甲烷化中，H?转化取决于消化器的操作条件，如反应器构型、有机负荷率（organic loading rate, OLR）、CO?可利用性及pH。
然而，原位生物甲烷化在启动阶段或动态操作条件下易出现不稳定。升高的溶解态H?浓度可抑制关键有机物降解途径，导致挥发性脂肪酸（volatile fatty acids, VFAs）积累并最终引发工艺失败。HMs与同型产乙酸菌（homoacetogenic bacteria, HAb）对H?的竞争也可能促进乙酸盐的瞬时积累，尤其在初始H?暴露或H?注入速率骤增期间。相比之下，多项研究表明，当微生物群落先前已适应高H?分压时，H?注入可稳定甚至增强有机物生物降解。工艺稳定性受pH强烈影响，pH反映了氢营养型产甲烷作用引起的CO?消耗与底物特异性缓冲能力之间的平衡。因此，微生物群落组成是工艺性能的关键决定因素。AD依赖更广泛的产甲烷群落，其中乙酸营养型和氢营养型产甲烷作用共存，而生物甲烷化期间持续的外部H?供给通常有利于HMs。HMs的富集已被证明可提高长期H?转化效率及系统稳健性和恢复力。此外，微生物对H?的适应与微生物互作向促进H?敏感代谢途径（包括高H?分压下的VFA降解）转变相关。
原位生物甲烷化已被研究用于优化H?转化和沼气提纯，但关于稳定的H?适应型联合体如何响应OLR递增（AD中的常见操作挑战）知之甚少。鉴于H?适应也与有机中间产物转化变化相关，研究人员假设持续H?供给可增强系统承受OLR递增的能力。因此，本研究在中温连续流CSTR中，以相同H?适应型联合体为接种物，比较了AD与原位生物甲烷化在OLR逐步递增条件下的表现，以评估工艺稳健性及相关微生物响应。本研究的创新之处在于将关注点从最大化沼气提纯转向评估原位生物甲烷化是否也能在有机过载条件下改善底层AD工艺的性能。
一、研究背景与科学问题
厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）是将有机废弃物转化为沼气的成熟技术，其高适应性使其在全球范围内得到广泛应用。沼气经提纯去除CO?、水分及其他杂质后可获得生物甲烷（bioCH?），被视为化石天然气的可持续替代品。然而，生物甲烷的大规模推广受限于其高昂的生产成本，其中沼气提纯环节占总生产成本的11–22%，且可能产生逸散性CO?排放。为降低成本和环境影响，生物沼气提纯技术受到广泛关注。化能自养沼气提纯即生物甲烷化（biomethanation），依赖氢营养型产甲烷菌（hydrogenotrophic methanogens, HMs）在温和条件下利用外加H?将CO?转化为CH?。原位生物甲烷化（in situ biomethanation）通过将H?直接注入厌氧消化器，避免了额外资本投入，但该工艺在启动阶段或动态操作条件下易出现不稳定。升高的溶解态H?浓度可抑制有机物降解途径，导致挥发性脂肪酸（volatile fatty acids, VFAs）积累和工艺失败。此外，HMs与同型产乙酸菌（homoacetogenic bacteria, HAb）对H?的竞争可能引发乙酸盐的瞬时积累。已有研究表明，当微生物群落预先适应高H?分压时，H?注入可稳定甚至增强有机物降解。然而，关于H?适应型微生物联合体如何响应有机负荷率（organic loading rate, OLR）递增这一AD常见操作挑战，目前知之甚少。基于H?适应与有机中间产物转化变化相关的认识，研究人员假设持续H?供给可增强系统承受OLR递增的能力，并据此设计了对比实验。
二、研究内容与主要结论
研究人员在中温连续搅拌釜反应器（continuous stirred tank reactor, CSTR）中，以相同的H?适应型联合体为接种物，平行运行了AD对照反应器和原位生物甲烷化反应器，并施加从2.5至6.0 gVS·L?1·d?1逐步递增的OLR，以评估工艺稳健性及相关微生物响应。研究结果表明，H?添加显著改善了工艺在OLR递增条件下的稳健性。在最高OLR（6.0 gVS·L?1·d?1）下，生物甲烷化的最大CH?产率（maximum CH? production rate, MPR_max）达到AD的两倍，且生物甲烷化实现了76%的CH?潜力，而AD仅为57%。在VFA积累方面，AD在较低OLR（3.5 gVS·L?1·d?1）即出现VFA积累，而生物甲烷化直至6 gVS·L?1·d?1才出现积累，表明H?适应型群落增强了VFA降解能力。微生物群落分析显示，生物甲烷化反应器中产甲烷菌群（methanogenic guilds）的组成更为均衡，这可能是其增强工艺稳健性的关键因素。该研究的创新意义在于将关注点从最大化沼气提纯转向评估原位生物甲烷化能否同时改善底层AD工艺在有机过载条件下的性能，为生物甲烷化技术的工程应用提供了新的视角。
三、关键技术与方法
研究人员采用了多项关键技术方法开展实验。接种物取自一个500 L中温AD中试CSTR，消化液经20目筛网过滤后使用，其总固体（total solids, TS）含量为9.70%，挥发性固体（volatile solids, VS）含量为5.16%。有机底物混合物按VS基准由35%液体牛粪、28%干黑麦青贮能源覆盖作物、24%冻干乳清（freeze-dried cheese whey, FDCW）和12%食物垃圾汤（food waste soup, FWS）组成，代表法国集中式AD系统的主要原料类别。实验采用2.5 L工作体积的双层夹套玻璃CSTR，温度控制在35°C，配备气体扩散器、气体循环系统及H?发生器。H?注入速率设定为2 mL H?·min?1，对应H?:CO?体积比2:1。OLR通过补充FDCW实现逐步递增，同时保持恒定水力停留时间（hydraulic retention time, HRT）为29.6天。监测方面，气体产量通过Ritter气体流量计连续计量，气体组成通过微型气相色谱仪每2至4小时分析一次，VFA浓度采用气相色谱法测定，总氨氮（total ammonia nitrogen, TAN）采用自动分光光度滴定法测定。微生物群落分析采用16S rRNA基因测序和qPCR定量，序列处理使用Mothur软件，分类比对基于SILVA参考数据库（版本132），测序数据已提交至NCBI Sequence Read Archive（BioProject编号PRJEB111346）。
四、研究结果
4.1 气体产量与工艺性能
在OLR递增过程中，生物甲烷化反应器表现出更高的CH?产率。在最高OLR（6.0 gVS·L?1·d?1）下，生物甲烷化的最大CH?产率（MPR_max）达到AD的两倍，且其CH?潜力实现率（76%）显著高于AD（57%）。这一结果表明，H?适应型微生物群落能够更高效地将有机负荷转化为CH?。
4.2 VFA积累与工艺稳定性
AD反应器在OLR为3.5 gVS·L?1·d?1时即出现VFA积累，而生物甲烷化反应器直至OLR达到6 gVS·L?1·d?1才出现明显积累。这一差异表明，持续H?供给增强了系统对有机过载的耐受能力，H?适应型群落可能通过促进VFA降解途径来维持代谢平衡。
4.3 微生物群落结构
微生物分析显示，生物甲烷化反应器中产甲烷菌群的组成更为均衡，氢营养型产甲烷菌（HMs）得到富集，而AD反应器中乙酸营养型与氢营养型产甲烷作用共存。这种均衡的产甲烷菌群结构可能增强了系统在OLR波动条件下的功能冗余和稳健性，是其耐受更高有机负荷的微生物学基础。
五、讨论与结论
讨论部分指出，H?适应型微生物群落通过富集HMs并维持均衡的产甲烷菌群结构，增强了系统在OLR递增条件下的稳健性。持续H?供给不仅促进了CO?向CH?的转化，还可能通过改变微生物互作关系，增强了H?敏感代谢途径（如VFA降解）的耐受性。研究结论表明，原位生物甲烷化不仅是一种有效的沼气提纯技术，还能在有机过载条件下改善底层AD工艺的性能，其最大CH?产率在最高OLR下达AD的两倍，CH?潜力实现率达76%（AD为57%），且VFA积累阈值更高（6 vs 3.5 gVS·L?1·d?1）。该研究为生物甲烷化技术的工艺优化和工程应用提供了重要的理论依据，拓展了其在有机废弃物处理与能源回收领域的应用前景。
