《Bioresource Technology》：Accelerated acidogenic fermentation and sulfate reduction with mariculture solid waste by magnetite-modified three-dimensional electro-fermentation system
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水产固体废物电发酵处理中，三维电极系统搭载磁性氧化碳颗粒可显著提升产酸与硫酸盐还原效率，最佳电压0.6V下短链脂肪酸产量提高92.9%，硫回收率增6倍，机制涉及有机质解耦与微生物群落调控。
朱志勇|邵一涵|王腾飞|邢东旭|金春吉|赵杨国|郭亮
中国海洋大学环境科学与工程学院，青岛266100，中国
摘要
电发酵在海洋养殖固体废物（MSW）处理方面展现出巨大潜力。然而，电发酵的性能受到MSW内部电子传递效率低的限制。本研究开发了一种三维电发酵系统，该系统使用了磁铁矿改性的颗粒活性炭，以加速MSW的产酸发酵和硫酸盐还原过程。实验结果表明，在0.6伏的施加电压下，系统性能达到最佳，短链脂肪酸的产量增加了92.9%，其中乙酸的比例达到了84.1%。作为低毒性的电子供体，元素硫的利用率相对于对照组提高了6.0倍。电发酵破坏了MSW的结构，从而有效释放了电子载体和可生物降解的有机物。由于底物生物利用度的提高，产酸作用与产硫化物作用之间的竞争得到了缓解，MSW的产酸-产硫化物效率也得到了提升。此外，还研究了物理化学性质和关键酶的活性，以阐明这些生物途径的潜在机制。微生物群落分析证实，产酸细菌和硫酸盐还原细菌（如Draconibacterium、Halomonas、Enterococcus、Dethiosulfovibrio）得到了富集。总体而言，三维电发酵系统提高了产酸发酵和硫酸盐还原的效率，为可持续的MSW处理和电子供体回收提供了一种新方法。
引言
过去几十年里，全球水产养殖业迅速发展，现已占水产品消费量的一半以上（FAO，2024年）。随着海洋养殖业的快速增长，集约化养殖产生了大量的海洋养殖固体废物（MSW）（Deng等人，2025年）。直接排放含有残留饲料和动物废物的MSW会导致富营养化、严重的环境退化以及巨大的经济负担（Tang等人，2024年）。然而，MSW中的高有机质和硫酸盐含量可以作为一种经济高效且可获得的生物质来源，用于生物能源生产和养分回收（Qin等人，2025年）。
厌氧发酵可以稳定有机废物并产生高价值产品。与沼气生产相比，短链脂肪酸（SCFAs）的回收在厌氧发酵中是一个有前景的替代方案，有助于减少碳损失和缩短发酵时间（Greses等人，2021年）。SCFAs还是反硝化作用的理想电子供体，同时也是高价值化合物（如聚羟基烷酸、长链脂肪酸和醇类）的重要前体（Zhao等人，2020年）。预计到2026年，全球SCFAs市场将超过100亿美元，平均市场价格约为每吨1500美元（Wu等人，2024年）。鉴于MSW中硫酸盐和有机质的高浓度，在产酸发酵过程中不应低估硫酸盐的还原作用。硫酸盐还原过程中产生的硫化物可作为产酸发酵和反硝化作用的可靠电子供体（Liu等人，2023年）。然而，复杂有机物的不完全溶解和缓慢的电子传递严重限制了产酸发酵的效率（Gao等人，2024年）。
电发酵是一种新兴的生物电化学技术，为优化SCFAs的合成提供了新的方法（Virdis等人，2022年）。在电发酵系统中，外部电能的应用使微生物能够通过直接或间接的细胞外电子传递机制与电极相互作用，从而增强有机底物的降解和SCFAs的生成（Sun等人，2024年）。为了提高效率，可以在阳极和阴极之间填充导电颗粒（如颗粒活性炭），形成三维电极系统，这缩短了质量传递距离，增加了有效电极表面积，并提供了丰富的反应活性位点（Li等人，2023年）。
负载在颗粒电极上的金属或其氧化物可以促进电子传递并提高三维电极系统的稳定性（Jia等人，2021年）。导电材料（如零价铁和磁铁矿）可以作为电子载体，促进发酵过程中不同微生物之间的直接电子传递（Qiang等人，2025年）。磁铁矿还能通过改善酶活性和促进功能性微生物的富集来促进水解和产酸作用，从而加速有机物的降解并增加SCFAs的产量（Mukherjee和Venkata Mohan，2022年；Zhao等人，2020年）。考虑到磁铁矿可以通过磁分离回收并进一步循环利用（Baek等人，2017年），这种导电材料具有经济潜力，具有实际应用的潜力。这些发现促使我们提出一个假设：在三维电发酵系统中，磁铁矿和颗粒活性炭（MAC）的协同效应也可能体现在SCFAs的生产上。然而，据我们所知，目前尚无研究探讨MAC在三维电发酵系统中用于提高产酸发酵和硫酸盐还原效率的效果。
本研究开发了一种装有MAC的三维电发酵系统来处理MSW。首先比较了使用三维电发酵系统与不使用该系统时SCFAs的产量。然后分别进一步研究了产硫化物和水解的关键过程。通过检测物理化学性质和电化学性能，揭示了产酸发酵和硫酸盐还原的机制。最后，监测了关键酶的活性和微生物群落结构的变化，以阐明其背后的生物学机制。这是首次研究三维电发酵系统如何加速MSW的产酸发酵和硫酸盐还原，为可持续MSW处理提供了新的见解。
部分内容摘录
MSW和接种污泥的特性
本研究中使用的模拟MSW的特性如下：可溶性化学需氧量（SCOD）= 366.10 mg L?1，蛋白质 = 223.01 mg L?1，总碳水化合物 = 74.04 mg L?1，悬浮固体（SS）= 15.76 g L?1，挥发性悬浮固体（VSS）= 8.24 g L?1，盐度 = 3.0%，pH = 7.0。使用模拟MSW是为了保持一致的基线组成，以便进行准确的机制评估。此外，鱼饲料的组成如下：粒径 < 1.0 mm，粗
三维电发酵系统中的SCFAs产量
SCFAs的产量是发酵系统中产酸性能的关键指标（Gao等人，2024年）。图1显示了在不同电压条件下MSW中SCFAs产量的变化。与对照组相比，R0条件下的总SCFAs产量增加了44.3%，表明磁铁矿和颗粒活性炭在增强产酸发酵方面具有协同作用（图1a）。系统中的产酸作用表现出电压依赖性的增强
结论
本研究开发了一种集成了MAC的三维电发酵系统，用于加速MSW中的产酸发酵和硫酸盐还原。磁铁矿和颗粒活性炭的协同作用缓解了电发酵中的电子传递限制，在0.6伏的施加电压下实现了最佳性能。机制研究表明，底物的溶解度提高以及水解和产酸相关酶的活性增强
CRediT作者贡献声明
朱志勇：撰写——原始草稿、方法学设计、实验研究、数据分析、数据整理。
邵一涵：方法学设计、实验研究。
王腾飞：数据可视化、方法学设计。
邢东旭：资源协调。
金春吉：资源协调。
赵杨国：资源协调、审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52270052）的支持。
