采用深度共晶溶剂–热预处理方法对Sargassum horneri进行处理，以提升其厌氧消化性能：优化方案、微生物功能及经济可行性分析

《Biomass and Bioenergy》：Deep eutectic solvent–thermal pretreatment of Sargassum horneri for enhanced anaerobic digestion: Optimization, microbial functions, and economic feasibility

耦合深共熔溶剂与热预处理可显著提升马尾藻厌氧消化产气效率，通过响应面法优化发现1:1 ChCl-EG比例在70℃、1-3小时条件下实现最高甲烷产量（279.2 mL/g COD），且微生物群落向产甲烷优势方向转变。

　　

作者：Yerim Lee | Gi-Beom Kim | Eunjin Kim | Eunseo Cho | Ju-Hyeong Jung

韩国群山国立大学环境工程系，群山，54150

摘要

本研究结合了氯化胆碱-乙二醇（ChCl–EG）深共晶溶剂（DES）和热预处理方法，以增强Sargassum horneri的厌氧消化（AD）性能。采用中心组合设计（FCCCD）优化了温度（70–110°C）、时间（1–3小时）和ChCl:EG比例（1:1–1:3），并通过响应面方法（RSM）对甲烷产量（MY）和化学需氧量（COD）的溶解度进行了建模。甲烷产量模型具有很高的显著性（R2 = 0.958），COD溶解度模型也较为合理（R2 = 0.841）。当ChCl:EG比例为1:1时，甲烷产量最高（可达279.2 mL CH?/g COD）；而在110°C、3小时、ChCl:EG比例为1:3的条件下，COD溶解度达到最大值21.9%，这表明仅提高溶解度并不能显著提升甲烷产量。微生物分析显示，预处理后氢营养古菌群落向兼性产甲烷菌群落转变。通过重建未观察到的状态（PICRUSt2）进行的系统发育研究预测，氢营养菌/终端产甲烷菌基因的选择性增加。这一结果支持了底物多样性与氢营养途径增强之间的机制联系。从技术和经济角度来看，ChCl:EG比例为1:1的效果最佳，而1:3的比例则不具经济性。在20年的净现值（NPV）计算中，70°C、1小时、ChCl:EG比例为1:1的条件实现了最短的回收期（4年）。DES-热预处理提供了一个实用的操作窗口，在提高甲烷回收率的同时具有良好的经济效益，并揭示了性能提升的微生物/功能基础。

引言

化石燃料的加速消耗及其相关的温室气体排放加剧了对可再生和碳中性能源的需求[1,2]。在生物能源技术中，厌氧消化（AD）是一种成熟的技术，既能处理有机废物，又能产生可再生的生物燃料甲烷[3]。然而，AD的性能很大程度上取决于原料的可生物降解性；难降解的结构和复杂的有机基质会减缓水解过程，从而导致甲烷产量较低[4]。

像Sargassum horneri这样的褐藻是丰富的海洋生物质资源，但其潜力尚未得到充分开发[5]。每年在济州岛和韩国半岛南部沿海地区都会发生大规模的褐藻爆发，引发生态紊乱、富营养化、氧气耗尽以及高昂的处理成本[6]。收集到的生物质通常被填埋或焚烧，导致二次污染和额外费用[7]。同时，Sargassum horneri富含碳水化合物（藻酸、 laminarin、甘露醇），且木质素含量低[8]，使其成为一种有前景的AD原料，有助于海洋生物质管理和循环生物能源系统的实现[9]。

尽管具有这些潜力，但由于其坚硬的多糖细胞壁结构以及抑制微生物活性的盐类和酚类化合物的存在，Sargassum horneri的厌氧生物降解性较差[10,11]。这些结构和组成障碍减缓了水解过程，降低了甲烷产量，成为大规模应用的瓶颈[12]。因此，在AD之前需要进行有效的预处理以增强其可溶解性和生物降解性[13]。

传统的预处理方法（如热处理、碱处理、酸处理和氧化处理）可以增加底物的可利用性，但往往伴随着高能耗、化学物质消耗和二次污染[14]。深共晶溶剂（DESs）作为一种绿色、可调且经济高效的介质，近年来受到了关注，能够破坏木质纤维素和藻类生物质中的氢键网络[15,16]。在DES配方中，氯化胆碱-乙二醇（ChCl–EG）系统具有低毒性、高生物降解性和强的氢键结合能力，适合用于多糖的降解[17]。然而，单独使用DES处理可能会导致粘度增加和反应动力学缓慢[18]。为了解决这些问题，建议将DES与温和的热水解结合使用，以加速溶解过程并提高整体预处理效率[19,20]。

DES-热预处理结合了DES的化学破坏作用和热诱导的物理降解作用，促进了可溶性碳水化合物和低分子量有机物的释放[21]。其性能受温度、反应时间和ChCl:EG摩尔比的影响，这些因素相互作用可能导致产生呋喃和5-羟甲基呋喃（5-HMF）等抑制性化合物[22,23,24]。尽管有报道称存在协同效应，但大多数关于大型藻类AD的DES-热处理研究仅评估了有限的操作条件，主要集中在提高甲烷产量上[25]。

重要的是，在单独使用DES、仅使用热处理或DES-热处理的研究中，仍存在一些关键空白。系统性的多因素优化很少采用结构化实验设计，预处理效果也较少从微生物群落结构和功能潜力角度进行解释，定量技术和经济可行性分析通常被忽略[26,27]。因此，一个既能平衡预处理强度、微生物适应性又能确保工艺可行性的经济可行操作窗口尚未明确，尤其是对于Sargassum horneri而言。

本研究将DES-热预处理应用于Sargassum horneri，以通过AD提高甲烷产量。系统地评估和优化了温度（60–150°C）、反应时间（1–12小时）和ChCl:EG摩尔比（1:1–1:3）的影响，并使用中心组合设计（FCCCD）和RSM进行了建模。统计分析了这些参数对COD溶解度和甲烷产量的交互作用，以确定既能平衡预处理强度又能提升产甲烷性能的条件。同时，通过16S rRNA测序和PICRUSt2功能预测分析了预处理对微生物群落结构和代谢潜能的影响。最后，在不同操作条件下评估了净能量平衡和经济可行性。这项工作提供了DES辅助热处理的综合技术和生物学评估，为海洋生物质的价值化和可再生生物能源回收提供了可持续的途径。

部分内容摘要

底物和接种物

从韩国济州岛采集了Sargassum horneri，用蒸馏水清洗去除盐分和杂质，然后在90°C下干燥过夜，并研磨成细粉。粉末状藻类的成分见表S1。接种物来自韩国富川市一个市政污水处理厂的厌氧消化池。粉末状藻类和厌氧污泥均储存在密封容器中，保存温度为4°C，直至使用。

DES-热预处理对AD的影响

为了确定合适的条件并优化FCCCD参数，首先在广泛的温度（60–150°C）、反应时间（2–12小时）和ChCl:EG比例（1:1–1:3）范围内进行了DES-热预处理。表1和图S1总结了预处理条件以及相应的溶解度特性、抑制剂形成和甲烷产量结果。

随着温度的升高，TC含量增加，但在过高温度下会下降。

结论

本研究表明，将氯化胆碱-乙二醇（ChCl–EG）深共晶溶剂与热预处理结合使用，可以有效提升Sargassum horneri的厌氧消化（AD）性能。响应面方法（RSM）在预测甲烷产量（R2 = 0.958）方面表现出很强的能力，COD溶解度模型的拟合度也较为合理（R2 = 0.841），最大甲烷产量出现在ChCl:EG摩尔比为1:1的情况下。相比之下，其他条件下的

CRediT作者贡献声明

Yerim Lee： 数据可视化、研究、数据整理。 Gi-Beom Kim： 原稿撰写、数据分析。 Eunjin Kim： 研究方法设计。 Eunseo Cho： 方法学研究。 Ju-Hyeong Jung： 文稿撰写、审阅与编辑、概念框架构建。

利益声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（科学技术信息通信部）提供支持（项目编号：RS-2024-00345011和RS-2024-00408787）。