《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Metagenomic insights into microwave-enhanced anaerobic co-digestion for maximizing biomethane and securing pathogen-free biofertilizer from agricultural waste
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本研究采用微波预处理技术提升稻秆与鸡粪共厌氧消化的甲烷产量，通过半连续发酵系统验证了微波在改善热传导和消除病原微生物方面的有效性，并揭示了甲烷生成菌群的关键作用。
朱亚玲|崔托宏|张乐|亚当·斯莫林斯基|向冠宁|刘奇伟|刘荣侯
上海交通大学农业与生物学院资源与环境系生物质能源工程研究中心，中国上海市东川路800号，邮编200240
摘要：
稻草（RS）具有复杂的三维木质纤维素结构，在厌氧消化（AD）过程中难以被微生物降解，导致甲烷产量较低。同时，来自畜禽粪便（如鸡粪CM）的消化物中常常含有大量病原微生物，这对公共健康和生态系统完整性构成威胁，并增加了消化后废液管理的成本。为了提高稻草和鸡粪共消化产生的甲烷产量，本研究采用了一种半连续发酵系统，水力停留时间为40天。设置了三种实验方案：R1（单独消化经过微波预处理的稻草）、M1（单独消化经过微波预处理的鸡粪）和C1（同时消化两种经过微波预处理的原料）。此外，还评估了微波（MW）辐射在促进热传递和消除病原体方面的效果，特别关注了不同的辐射时间和微波功率（即200-500瓦，0–10分钟）。结果表明，经过106天的厌氧消化后，R1的甲烷产量比R0增加了1.76至4倍，而M1和C1的甲烷产量分别比对照组增加了16.51–20.10%和41–185%。通过宏基因组分析和16S rRNA测序发现，Chloroflexota、Bacillota、Patescibacteria和Bacteroidota是主要的细菌门类，其中Methanothrix、Methanobacterium和Methanomassiliicoccus是微波预处理消化器中的主要古菌属。这项实验室规模的研究初步阐明了微波预处理对甲烷生成途径的促进作用，并证实了其在提高热传递和去除病原体方面的有效性。这些发现为大规模应用中的工艺开发提供了潜在途径；然而，其有效性仍需在试点规模或更大规模的研究中验证。
引言
全球变暖迫切需要开发减少污染和碳排放的技术（Zhang等人，2025年）。作为主要的废弃物和碳排放来源，鸡粪和稻草分别是畜牧业和农作物种植的典型副产品（Luo等人，2024年）。作为农业和畜牧业大国，中国每年生产2.7亿吨大米，同时产生约4870万吨稻草（Shaheen等人，2022年）和38亿吨畜禽粪便（Zhang等人，2023年）。这些材料可以通过厌氧消化（AD）进行生物转化，这是一种可持续的有机废物资源回收技术，能够生产清洁能源（Li等人，2026年），并且具有低成本和操作简便的特点（Soares等人，2020年）。通过AD，稻草和鸡粪可以转化为沼气这种清洁能源，而产生的消化物可以用作有机肥料（Catenacci等人，2022年）。然而，该系统的稳定性和甲烷产量受到多种因素的影响，尤其是稻草难以降解的结构（由纤维素、半纤维素和木质素组成，Li等人，2025年；Wang等人，2018年；Yang等人，2022年；Zhu等人，2025年）以及鸡粪较低的碳氮（C/N）比例（Tawfik等人，2023年）。因此，为了提高沼气产量，通常需要进行预处理以克服这些结构和成分上的挑战。已经应用了多种预处理方法，包括物理、化学和生物方法（Zhu等人，2023年）。这一过程有助于暴露纤维素和半纤维素的聚合物链，从而加速生物质降解并提高沼气产量（Arelli等人，2024年；Kang等人，2021年）。稻草和鸡粪厌氧消化过程中的其他主要问题还包括热传递不良和消化物中的病原体带来的健康风险。大量研究表明，鸡粪中含有多种病原微生物（Tawfik等人，2023年）。因此，需要一种新的AD技术来提高原料的可生物降解性、改善热传递效率并减少消化物中的病原体。
微波预处理是一种有前景的提高原料可生物降解性的策略。微波是频率在0.3 GHz到300 GHz之间的电磁波，商业上使用的范围是915 MHz到2450 MHz（Wang等人，2023b）。作为一种高效能源方法，微波预处理技术已在多个领域得到研究，包括环境科学（Horikoshi等人，2003年）、工程（Jones等人，2002年）、生物基化学品（Yu等人，2021年）、农业（Sapci，2013年）、生物技术（Sandoval等人，2007年）和材料科学（Li等人，2024年）。其在污泥消化（Gil等人，2018年）、甲烷生成（Siddique等人，2017年）、生物柴油（Motasemi & Ani，2012年）和生物燃料生产（Yin，2012年）中的应用也得到了验证。微波技术作为一种有效的替代传统加热方法，能够快速加热大量材料，缩短处理时间并显著节省能源（Guo等人，2015年）。然而，关于微波预处理在促进鸡粪和稻草的厌氧共消化以生产生物甲烷和生物肥料方面的技术可行性——包括原料预处理、热传递和消化物中病原体的去除——尚未得到证实。
因此，本研究的目的是探讨微波预处理对鸡粪和稻草厌氧共消化生产生物甲烷和生物肥料的影响，重点关注原料预处理、热传递和消化物中病原体的去除。本研究还提供了微波预处理如何提高AD性能和减少病原体的机制见解。研究结果有望支持微波预处理在沼气领域的工业应用，并促进农业有机废物的资源利用。
部分内容
原料和接种物
用于AD实验的稻草和鸡粪分别来自中国上海和山东省的农场。稻草样品经过风干后，使用机械粉碎机研磨成小颗粒。这种颗粒尺寸的减小提高了原料的比表面积、孔隙率和生物降解潜力。处理后的样品在室温下密封保存直至使用。
微波处理对稻草物理化学性质的影响
对稻草的结构和成分进行了物理化学表征，以进一步探讨预处理的重要性。Sun等人（2015年）指出，植物细胞壁中的纤维素结晶度限制了酶的接触，降低了纤维素的转化率。未处理和预处理样品的结晶度指数（CrI）（CrI=(I002- Iam)/I002 ×100%，其中I002是(0 0 2)平面的衍射强度，Iam是2θ = 18°时的衍射强度）
结论
本研究表明，微波预处理有效降低了稻草的结晶度并提高了甲烷产量。在500瓦的微波功率下，暴露时间为8分钟时，结晶度的降低最为显著。经过106天的厌氧消化后，R1的甲烷产量比R0增加了1.76至4倍，而M1和C1的甲烷产量分别比对照组增加了16.51至20.10%和41至185%。
CRediT作者贡献声明
亚当·斯莫林斯基：撰写 – 审稿与编辑，验证。向冠宁：撰写 – 审稿与编辑，验证。刘奇伟：撰写 – 审稿与编辑，验证。刘荣侯：撰写 – 审稿与编辑，验证。朱亚玲：撰写 – 初稿撰写，数据可视化，实验设计，数据分析。崔托宏：撰写 – 审稿与编辑，验证，数据管理。张乐：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，项目管理，资金筹集，数据管理。
未引用参考文献
Liu等人，2023年；Luo等人，2025年；SunJ.T.等人，2000年。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢上海农业科技创新项目（项目编号：T2023306）和中国人力资源和社会保障部的外国专家计划（项目编号：ZXQT605006/021）的财政支持。
