《Biomass and Bioenergy》：From palm oil wastes to sustainable bioenergy: Reviewing the roles of microbial consortia, inhibitory constraints, and technological advances in biogas production
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棕榈油加工废料（POME）因高COD（16000-100000 mg/L）、BOD（10000-44000 mg/L）及抑制性物质导致环境问题，需通过微生物协同作用实现高效厌氧转化。Bacillus和Pseudomonas等产脂酶菌种将TAG水解为LCFA，Syntrophomonas wolfei介导β-氧化生成短链脂肪酸，Methanobacterium和Methanosaeta组成产甲烷核心菌群，搭配超声辅助厌氧膜反应器（USAD-AnMR）及FeSO4/Tween-80添加剂，使甲烷产率提升25-32%，COD去除率达93%，为循环经济提供能量闭环方案。
作者：Shivani Gulbake、Minhaj Ahmad Khan、Mohammad Murtaza Mehdi
所属机构：印度旁遮普邦Phagwara市Lovely Professional大学生物工程与生物科学学院
摘要
棕榈油加工过程中会产生高浓度的有机废弃物，尤其是棕榈油厂废水（POME），其化学需氧量（COD）为16,000–100,000 mg/L，生化需氧量（BOD）为10,000–44,000 mg/L，悬浮固体（SS）为18,000–65,000 mg/L，油脂和脂肪（FOG）为150–18,000 mg/L。此外还含有木质纤维素残留物（如空果串EFB，含37–43%的纤维素和18–33%的木质素）、纤维、果壳以及沉淀物，这些物质会导致水体富营养化和不受控制的池塘甲烷生成（全球变暖潜能值GWP为28–34倍二氧化碳当量）。本文综述了能够将POME通过厌氧生物转化成沼气的共生菌群。其中，Bacillus属和Pseudomonas属的脂肪酶可催化三酰甘油（TAG）的水解（C16:0占44%，C18:1占39%），生成长链脂肪酸（LCFA）；Syntrophomonas wolfei通过酰基辅酶A脱氢酶/烯酰辅酶A水合酶参与β-氧化反应（释放+48–76 kJ/mol的能量），这一过程由嗜氢菌Methanobacterium（H2浓度低于10?4 atm）和乙酸裂解菌Methanosaeta（Km值为7–70 μM）共同促进。酸生成过程产生乙酸（2–8 g/L）和丙酸（0.5–3 g/L），并由共生菌群中的氧化剂维持平衡。试点验证结果显示，每千克COD可产生0.65立方米沼气，LCFA浓度低于180 mg/L，VFA与碱度比值为0.25，Syntrophomonas占比为22%，水力停留时间（HRT）为15天。超声辅助厌氧膜反应器（USAD-AnMR）、嗜热水解、共消化技术以及Tween-80和FeSO4的添加可提高沼气产量（尽管存在VFA、LCFA和酚类物质的抑制作用），无需依赖定量聚合酶链反应（qPCR）或ISO 11734标准的生化甲烷潜力（BMP）测定方法。微生物群落演替过程可预测：初期以Lactobacillaceae为主的水解和酸生成阶段为主，随后转变为以Clostridiaceae为主的水解阶段，最终在Syntrophomonas/Methanosaeta共生菌群作用下实现稳定的甲烷生成。AB-101菌群在工业化规模（>0.6 ± 0.1立方米/千克COD）下的应用显示出约90太瓦时的生物经济潜力。
引言
棕榈油是全球使用最广泛的植物油之一，因其高抗氧化稳定性、长保质期和经济可行性而被广泛用于烹饪油、人造黄油、糖果和加工食品领域[1]。然而，棕榈油产量的迅速增长引发了环境问题，主要是因为加工过程中会产生大量废弃物。全球年产量超过8000万吨，每吨加工果实的棕榈油厂废水（POME）量约为2.5–3立方米，使其成为棕榈油产业最重要的废弃物之一[2,3]。POME是一种高浓度的废水，具有高化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、悬浮固体、油脂残留物以及酸性pH值。若未经适当处理直接排放，会污染水体并释放甲烷（一种全球变暖潜能值比二氧化碳高28–34倍的温室气体）[4,5]。传统的开放式厌氧池塘系统仍被广泛用于POME处理，但这种处理方式会导致甲烷排放失控，既带来环境负担，也浪费了可再生能源回收的机会[6]。厌氧消化（AD）作为一种有前景的废弃物转化策略，可将有机物转化为富含甲烷的沼气，同时减少污染负荷。该过程依赖于共生微生物之间的相互作用，包括水解菌、脂肪酸氧化菌和产甲烷古菌，它们依次将复杂有机物质降解为甲烷和二氧化碳。改进型系统（如上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧序贯系统和厌氧膜生物反应器（AnMBR）在甲烷回收和过程控制方面优于传统池塘系统[7–12]。近期研究通过优化微生物组成和操作条件（如添加表面活性剂和铁剂、采用嗜热消化技术、去除抑制性酚类化合物以及应用从POME中分离的降解微生物菌群）来提高甲烷产量[13–17]。膜技术进一步提升了出水质量，支持了棕榈油产业的循环经济模式[18–21]。然而，长链脂肪酸和运营成本仍是大规模应用的挑战[11,22,23]。因此，通过改进反应器设计和优化微生物共生关系，将POME从环境负担转化为可再生能源资源至关重要。
棕榈油对印度和全球经济的影响
棕榈油在印度和国际经济中占据重要地位，是全球使用最广泛的食用油，对商业、就业和工业应用具有重大贡献。印度尼西亚和马来西亚等国家垄断了全球约85%的棕榈油产量[36]，出口额超过280亿美元[37]。在印度，棕榈油是食用油市场的重要组成部分，对该国经济具有关键作用
棕榈油残留物的初步结构特征
棕榈油厂废水（POME）是粗棕榈油加工过程中产生的高浓度农业工业废水，其特征包括高有机负荷：生化需氧量（BOD）为10,000–44,000 mg/L，化学需氧量（COD）为16,000–100,000 mg/L，悬浮固体（SS）为18,000–65,000 mg/L，油脂残留物（FOG）为150–18,000 mg/L。由于POME具有较高的生物降解性（BOD/COD比值通常在0.4–0.6之间），
处理系统中的降解机制
生物处理系统中脂质丰富的底物降解过程主要由水解反应驱动，随后进行厌氧消化[5,13,17,31]。棕榈油厂废水（POME）中的三酰甘油（TAG）在细胞外脂肪酶的作用下发生酶促水解，导致甘油骨架与长链脂肪酸（LCFA）之间的酯键断裂[5,31]。
棕榈油厂废水降解中的微生物菌群与共生作用
棕榈油厂废水（POME）的厌氧消化过程涉及复杂的微生物群落，这些微生物协同工作以降解有机底物。通过针对POME处理的全尺度监测技术，我们研究了微生物种群随时间和处理阶段的变化，这些变化受到底物变化和环境条件的影响[22,96]。
传统处理方法：开放式池塘系统
历史上，棕榈油厂主要采用低成本的处理方法，如开放式池塘、土地填埋和废弃物燃烧。这些方法因资本成本低且易于中小型工厂实施而被广泛采用，但大多会对环境造成负面影响。最常见的POME处理方式是开放式池塘和氧化塘。处理过程包括将废水直接排放到池塘中
环境、动力学和分子因素对降解过程的影响
特定的环境条件对棕榈油处理过程中的微生物降解速率和路径有显著影响。例如，pH值、温度、溶解氧（DO）和营养物质含量是决定微生物群落组成和代谢潜力的关键因素。虽然脂肪酶和LCFA的活性范围通常在6.8–7.5之间，但pH值低于6.5时脂肪酶活性会显著下降，同时也会抑制产甲烷古菌的活性
棕榈油残留物降解的能源与环境影响
马来西亚的棕榈油厂废水每年产生16.48亿立方米的沼气，为各工厂提供5.08兆瓦的电力，并避免了496万吨二氧化碳当量的排放。厌氧膜生物反应器（AnMBR）系统在试点试验中实现了93%的COD去除率，每千克COD可产生0.41立方米的沼气。嗜热共消化技术使沼气产量提高25%，有助于推动循环经济的转型
表7系统性地比较了五种棕榈油残留物转化为沼气的技术：开放式池塘、带捕获装置的CSTR、UASB、AnMBR及其优化版本
未来研究方向
未来研究应通过多组学方法确定POME厌氧消化系统中LCFA、VFA和酚类物质的抑制阈值，以实现反应器设计的标准化和性能比较（目前这一过程受研究结果差异的阻碍）。表现出优异试点效果的AB-101菌群需要在主要棕榈油生产区域进行1000立方米/天的工业化规模验证。
结论
由多种微生物组成的共生菌群（包括水解菌Bacillus、Pseudomonas、Clostridia、β-氧化菌Syntrophomonas wolfei以及产甲烷古菌Methanobacterium、Methanosaeta）能够系统性地降解棕榈油厂废水（POME，COD浓度为16,000–100,000 mg/L，油脂含量为0.6–0.7%，悬浮固体浓度为18,000–65,000 mg/L）以及垃圾填埋场渗滤液（COD浓度为15,000–35,000 mg/L，NH4-N含量为800–2000 mg/L），并通过热力学相互依赖的步骤完成降解过程。
CRediT作者贡献声明
Shivani Gulbake： 负责撰写、审稿和编辑工作，以及原始稿件的撰写和概念构思。
Minhaj Ahmad Khan： 负责撰写、审稿和编辑工作，以及概念构思。
Mohammad Murtaza Mehdi： 负责撰写、审稿和编辑工作，以及原始稿件的撰写。
