《Bioresource Technology Reports》：Beyond the first use: Cascading benefits of bio-based gasification chars recycling in anaerobic digestion
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摘要：厌氧消化（anaerobic digestion，AD）中城市污水污泥的处理是实现可持续废物管理和可再生能源生产的关键技术。尽管已有研究探索了生物基炭材料（bio-based chars，BBCs）作为AD性能促进剂的潜力，但关于生物基气化残渣（bio-
摘要：厌氧消化（anaerobic digestion，AD）中城市污水污泥的处理是实现可持续废物管理和可再生能源生产的关键技术。尽管已有研究探索了生物基炭材料（bio-based chars，BBCs）作为AD性能促进剂的潜力，但关于生物基气化残渣（bio-based gasification char，BGC）投加策略的系统比较仍属空白。本研究考察了两种BGC投加策略——直接投加与间接投加（即经上游活性污泥预处理后引入）——对AD反应器在逐步提升有机负荷率（organic loading rate，OLR）条件下的产甲烷性能、微生物群落结构及功能途径的影响。结果表明，直接投加BGC显著重塑了微生物群落（PERMANOVA，p = 0.001），富集了氢营养型产甲烷菌（如Methanospirillum、Methanolinea）和互养细菌（如Syntrophothermus），使反应器在高达4倍初始OLR的极端胁迫下维持稳定产甲烷，而对照组则完全酸化崩溃。相比之下，间接投加BGC未引起显著的群落重构（PERMANOVA，p = 0.179），但仍通过底物介导机制维持了中等稳定性，其功能分析显示互养丙酸氧化途径在BGC组中持续富集。本研究首次证明，上游废水处理过程可根本性地改变BGC在后续AD中的生态功能：新鲜BGC通过其高比表面积、碱度和导电性促进互养生物膜形成与直接种间电子传递（direct interspecies electron transfer，DIET），而预使用BGC因表面吸附位点被有机物污染而丧失上述特性。因此，BGC的投加策略决定了AD系统的生态轨迹与胁迫恢复力，直接投加适用于追求极端工况下运行可靠性的场景，间接投加则可利用现有微污染物去除设施提供适度效益。
生物基气化残渣循环利用对厌氧消化性能的级联增效机制研究解读
一、研究背景与科学问题
厌氧消化（anaerobic digestion，AD）是市政污水处理厂实现污泥稳定化和可再生能源回收的核心工艺。在实际运行中，为提升沼气产量，常向消化池中添加餐厨垃圾或油脂等高易降解共底物，但这会显著提高有机负荷率（organic loading rate，OLR）。高OLR条件下，易降解有机物快速转化为挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs），一旦超过系统的缓冲容量，将导致pH下降至产甲烷菌最适范围（6.5–7.5）以下，引发酸化崩溃，表现为pH低于5.5、VFA累积超过10–20 g·L?1、产甲烷作用完全停止。因此，如何增强AD系统抵抗有机超负荷胁迫的能力，是保障污水处理厂稳定运行的关键工程问题。
近年来，生物基炭材料（bio-based chars，BBCs）因其高比表面积（100–500 m2·g?1）、碱性（pH 8–11）、导电性和丰富官能团而被视为极具前景的AD性能促进剂。研究表明，BBC可通过化学缓冲与抑制剂吸附缓解酸化毒性、通过多孔表面促进微生物定殖形成生物膜、以及通过导电性加速直接种间电子传递（direct interspecies electron transfer，DIET）三种机制将甲烷产量提升10%–50%。然而，现有研究存在两个重大知识空白：第一，绝大多数研究采用低温热解（400–700 °C）制备的BBC，而高温气化（>800 °C）产生的生物基气化残渣（bio-based gasification char，BGC）具有更高的灰分含量（>12%）、更大的比表面积（200–400 m2·g?1）、介孔结构（2–50 nm）和优异的导电性，其作用机制可能截然不同；第二，几乎所有研究均采用终点测量而非时间序列监测，且缺乏对不同投加策略（直接投加与间接投加）的系统比较。特别是，在实际污水处理厂中，BGC可先用于上游活性污泥阶段的微污染物吸附去除，再随剩余污泥进入消化池，这一上游处理过程是否会因有机污染和吸附位点饱和而改变BGC的表面化学性质，进而影响其在AD中的生态功能，尚无任何研究报道。
基于上述背景，本研究旨在系统比较直接投加新鲜BGC与间接投加预使用BGC（经上游活性污泥处理后）两种策略对AD系统在逐步提升OLR条件下的产甲烷性能、微生物群落结构与功能代谢途径的影响，揭示投加策略依赖性的BGC作用机制。
二、关键技术方法
研究人员采用六组平行半连续式5 L实验室规模厌氧反应器，在中温条件下运行。试验分为两个独立批次（每组n=6），每批包含适应期（adaptation phase，AP）、炭投加期（char phase，CP）和增强有机负荷期（enhanced organic loading rate phase，eOLRP）三个阶段。试验1中，研究人员将新鲜BGC直接投加至反应器中；试验2中，BGC先经上游中试规模活性污泥系统处理，再随污泥基质进入反应器。产气量采用AMPTS II系统实时监测，气体组成通过气相色谱（GC）测定，VFA通过高效液相色谱（HPLC）定量，pH采用电极法测量。微生物群落分析采用16S rRNA基因V4区扩增子测序（Illumina平台），原始序列经mothur v1.48.0流程处理，聚类为97%相似度的OTU。功能注释基于FAPROTAX框架结合自定义AD相关功能类别进行推断。统计分析采用R 4.5.1环境，包括PERMANOVA、ANOSIM、LEfSe差异丰度分析和相关性分析。
三、研究结果
3.1 直接投加BGC对CH?产量的影响
在适应期，BGC组与对照组的甲烷产量无统计学差异。进入炭投加期后，BGC组归一化甲烷产量较对照组显著提升12.4%（ANOVA，p = 0.009）。在增强有机负荷期，两组表现急剧分化：BGC组保持稳定高产，峰值达到1173.35 ± 231.35 CH? NmL·d?1；对照组则完全酸化崩溃，产甲烷降至29.81 ± 18.04 CH? NmL·d?1。整个88天试验期内，BGC组累计产甲烷量为44,991 ± 6,716 NmL，是对照组（22,973 ± 2,229 NmL）的1.96倍。pH动态显示，对照组从第55天开始急剧下降，最终低于4.5；BGC组则在更长时期内维持在产甲烷适宜范围。
3.2 间接投加BGC对CH?产量的影响
在所有试验阶段，BGC组与对照组的绝对甲烷产量均无统计学差异（适应期p = 0.941，炭投加期p = 0.908，增强负荷期p = 0.842）。两组均在OLR达到约4.0 g VS·L?1·d?1后出现产甲烷下降和pH降低，最终均发生酸化。162天累计产甲烷量分别为69,665 ± 5,665 NmL（BGC组）和68,988 ± 8,551 NmL（对照组），几乎完全相同。
3.3 直接投加BGC对VFA的影响
炭投加期开始后，BGC组与对照组的VFA浓度即出现显著差异。BGC组在整个增强负荷期大部分时间内维持低VFA水平（4.13 ± 3.50 mM），仅在第87天出现短暂积累（40.04 ± 8.95 mM）；对照组则经历严重VFA积累，总VFA最高达143.63 mM，其中丙酸盐累积尤为突出。
3.4 间接投加BGC对VFA的影响
两组在适应期、炭投加期和增强负荷期的总VFA浓度均无统计学差异，VFA动态模式高度一致。
3.5 直接投加BGC对微生物群落的影响
适应期两组的核心微生物组无差异。炭投加期开始后，BGC组与对照组出现显著的群落分化（PERMANOVA，p = 0.04；ANOSIM，p = 0.024）。LEfSe分析鉴定出Methanospirillum、Methanolinea和Methanomassiliicoccales为BGC组古菌生物标志物，而对照组富集Flexilinea。BGC组总古菌相对丰度显著高于对照组（Welch’s t检验，p = 0.014）。细菌方面，BGC组富集了互养细菌（Syntrophothermus、Christensenellaceae R-7）、Synergistaceae以及多个嗜热菌属；对照组则以发酵型细菌Flexilinea为主导。
3.6 间接投加BGC对微生物群落的影响
适应期确认基线条件同质。炭投加期分析表明，间接BGC投加未诱导显著的群落位移（PERMANOVA，p = 0.179；ANOSIM，p = 0.11），古菌相对丰度在两组间也无差异。尽管如此，LEfSe分析仍识别出处理特异性生物标志物：BGC组富集了Methanosarcina、Candidatus_Caldatribacterium和Syntrophonaticus；对照组则富集Enterobacteriaceae和Dysgonomonas。
3.7 直接投加BGC对微生物功能的影响
功能谱分析显示两组代谢轨迹显著分化（PERMANOVA，p = 0.001）。BGC组的总互养途径保持稳定，其中互养丙酸氧化维持在约0.007的相对丰度，而对照组则从0.005降至0.003。产乙酸途径在BGC组逐步增加（0.011→0.030），支持氢营养型产甲烷。水解能力方面，BGC组的拟杆菌门介导的水解活性增长了7.6倍，而兼性变形菌门下降了4.1倍。产甲烷途径呈现时序演替特征：甲基营养型初期占优，随后产乙酸途径增强，最终氢营养型和乙酸裂解型产甲烷菌丰度上升。
3.8 间接投加BGC对微生物功能的影响
尽管群落结构未显著变化，功能谱分析仍揭示了处理间的显著差异（PERMANOVA，p = 0.002）。BGC组的总互养活性从0.055逐步增至0.068，而对照组从0.060降至0.055。这一富集主要由互养丙酸氧化驱动（BGC组1.46倍增长，对照组稳定或下降）。蛋白水解活性在BGC组增长1.42倍，对照组基本不变。值得注意的是，BGC组的互养乙酸氧化呈下降趋势，而丙酸和丁酸降解途径增强，表明预使用BGC优先支持热力学约束最高的互养代谢。
四、讨论与结论
本研究首次系统揭示了BGC投加策略对AD系统生态轨迹的决定性影响。直接投加新鲜BGC引发了显著的微生物群落重构（p = 0.001），富集了氢营养型产甲烷菌和互养细菌，构建了功能优越的微生物网络，使反应器能够在高达4倍初始OLR的极端胁迫下维持稳定产甲烷，而对照组完全酸化崩溃。这种极端胁迫恢复力的获得依赖于新鲜BGC的高比表面积、碱度和导电性，这些特性促进了互养生物膜的形成和DIET。相比之下，间接投加预使用BGC未能诱导群落重构（p = 0.179），但仍通过底物介导机制维持了中等稳定性，其功能分析显示互养途径在BGC组持续富集但需更长时间（>50天 vs. 17天）才能显现效果。预使用BGC因上游活性污泥处理过程中有机污染物的吸附导致表面活性位点饱和，丧失了促进群落重构的能力。这一发现解释了文献中长期存在的矛盾现象——为何某些研究观察到BBC添加后微生物群落显著转变，而另一些研究则发现性能改善但群落组成基本不变。
研究结论：BGC的投加策略从根本上决定了AD系统的性能表现。直接投加新鲜BGC通过重塑微生物群落、富集氢营养型产甲烷菌和互养细菌，赋予了系统高达4倍初始OLR的极端胁迫恢复力；间接投加预使用BGC虽未引起群落重构，但通过底物介导机制维持了中等稳定性。新鲜BGC的碱性和表面特性是促成互养生物膜形成的关键，而上游废水处理过程可能降低了BGC的表面碱度，从而改变了其在后续AD中的生态功能。对于污水处理厂而言，直接投加可提供更强的系统恢复力但需专用投加基础设施，间接投加则可利用现有微污染物去除系统提供适度效益。未来研究应量化BGC老化动力学，以优化特定场地条件下的预测性投加方案。
