通过联合脱盐和预处理技术改善搁浅的肠形动物（Enteromorpha）的厌氧消化过程：揭示其动力学、作用机制及微生物群落组装规律

《Journal of Water Process Engineering》：Enhanced anaerobic digestion of stranded Enteromorpha via combined desalination and disruption pretreatment: Unveiling the kinetic, mechanistic, and microbial community assembly principles

海藻 Enteromorpha 的协同预处理提升厌氧消化效率，机械破碎增加底物生物可及性，脱盐缓解盐胁迫抑制，两者协同使总产气量提升543.1%，甲烷产量达515.2 mL/gVS，微生物群落分析显示甲烷生成菌丰富度提高2.5%，优化酸化-甲烷化途径。

　　

黄文山|吴月|乔俊鹏|林飞阳|苏继新|牛启贵

山东省环境与健康中美合作研究中心，山东大学环境科学与工程学院，中国青岛市，266237

摘要

滞留的肠形藻类对沿海生态系统和经济构成威胁，但由于其含有多糖和蛋白质，具有作为厌氧消化（AD）底物的潜力。然而，高盐度会抑制产甲烷古菌的活性，而坚固的硫酸化多糖细胞壁则抵抗酶促水解，严重限制了其生物转化。先前的研究分别探讨了脱盐或机械破坏方法，但它们的协同效应及背后的微生物机制仍不清楚。本研究评估了脱盐和机械破坏预处理对肠形藻类厌氧消化的单独和联合效应。未经预处理时，产甲烷古菌的抑制导致挥发性脂肪酸（TVFA）大量积累（峰值：17,439 mg/L）。机械破坏通过提高底物可利用性使沼气产量增加了86.4%。脱盐减轻了盐分抑制作用，使气体产量增加了42.7%。两者结合使用时表现出强烈的协同效应，总气体产量增加了543.1%，生物甲烷产量达到了515.2 mL/gVS。动力学分析表明，机械破坏将最大产气速率提高了88.59 mL/d，而脱盐则延长了消化时间。微生物群落分析显示，联合预处理富集了产甲烷菌Methanosaeta（占2.5%），并优化了产酸-产甲烷途径。本研究为肠形藻类的资源化利用提供了实用的技术基础。

引言

近年来，随着近海富营养化的加剧，中国黄海、东海等海域的肠形藻类频繁爆发，年均爆发面积已超过29,000平方公里[1]。大规模的肠形藻类堆积不仅威胁沿海生态系统的平衡，还堵塞水道，影响水产养殖业，造成数十亿美元的直接经济损失[2]。传统的处理方法如填埋和焚烧容易引发二次污染且资源利用率低，而肠形藻类富含多糖（干重约50%）、蛋白质（15–25%）和低木质素含量（< 5%）[3]，使其成为厌氧消化（AD）生产甲烷的理想底物。

最近的一项荟萃分析表明，物理预处理是提高大型藻类厌氧消化效率的最有效方法，CH₄产量增加了124%[4]。然而，不同预处理和消化条件下肠形藻类及其近缘种Ulva的生物甲烷产量差异较大：清洗和浸渍后的Enteromorpha lactuca产甲烷量为152 mL/gVS[5]，未经处理的Enteromorpha产甲烷量为409.7 mL/gTS[6]。这些结果表明，通过优化预处理策略仍有很大的改进空间，但针对肠形藻类的物理预处理的协同效应仍缺乏系统评估。

然而，肠形藻类细胞壁中的硫酸化多糖和海洋盐分（含Na⁺量可达干重的8–12%）可能会抑制厌氧消化过程中的微生物活性[7]，因此需要预处理以提高其生物转化效率。在预处理技术方面，物理方法因其操作简便和环境友好性而受到广泛关注。脱盐可以有效去除附着在肠形藻表面的海洋盐分和沙粒杂质，从而促进厌氧消化[8]。此外，产甲烷古菌对盐胁迫的响应因物种而异。氢营养型产甲烷古菌对高盐度或高氨条件更敏感，而产乙酸型产甲烷古菌的增殖可能与盐胁迫的缓解有关[9]。机械破坏可通过增加比表面积来促进肠形藻类的沼气生产，从粗颗粒到中等颗粒可提高12.26%的总沼气产量，但从中等颗粒到细颗粒仅提高0.49%的沼气产量[10]，且能量成本随颗粒尺寸减小而显著增加[11]。化学预处理（例如在120°C下进行酸处理）可能会产生糠醛抑制剂，尽管它可以破坏藻类细胞壁结构（纤维素结晶度降低40%[12]）。因此，物理预处理在平衡能量效率和产物抑制方面具有更大的应用潜力。然而，以往的研究主要关注脱盐和细胞破坏作为单独处理的促进作用，对两者之间的直接比较或其联合应用的潜在协同效应关注较少。鉴于微生物协同作用已被证明能显著提高难降解碳底物的降解效率，联合物理预处理可能通过类似机制优化微生物代谢环境[13]。

底物浓度作为关键工艺参数，可通过调节微生物群落结构和代谢途径（例如促进乙酸向丁酸的转化）来影响消化产物的分布[14]，这一效应已在多种有机废物处理中得到验证。例如，使用过的蘑菇基质在总固体含量为15%时，总挥发性脂肪酸（TVFA）浓度达到2781 mg/L；过高的固体负荷会因底物与微生物之间的质量传递受限而降低多糖和蛋白质的溶解效率[15]。柑橘废弃物在接种剂与基质比为1:1的低负荷下，TVFA产量可达0.793 g TVFA/gVS；而在高有机负荷下，柑橘皮油对产酸菌的抑制作用显著增强[16]。

然而，关于特定海洋生物质（如肠形藻类）的预处理对厌氧消化机制的研究仍存在显著空白。特别是，其独特的多糖结构是否需要特定的底物浓度范围来优化水解效率和最大化甲烷产量，目前尚不清楚，需要系统研究。

因此，本研究的目标如下：（1）比较脱盐和机械破坏预处理对不同底物浓度下肠形藻类厌氧消化性能的单独和协同效应。（2）阐明这些预处理调节有机物释放、VFA代谢和EPS动态响应的机制。（3）揭示预处理引起的环境变化如何驱动微生物群落组装并重塑功能代谢网络。与以往分别研究脱盐或颗粒减小的方法不同，本研究首次系统评估了它们的协同作用，并将预处理引起的盐度和底物可利用性变化与微生物自组装机制联系起来。从环境角度来看，肠形藻类的大规模年度堆积既是沿海生态负担，也是未开发的生物能源资源。开发高效且低能耗的厌氧转化策略可以同时减轻藻华污染，减少填埋或焚烧处理相关的温室气体排放，并为海洋负碳排放计划做出贡献。本研究的结果有望为海洋大型藻类的资源化利用提供理论和实践指导。

部分摘录

底物、接种物和实验程序

本研究使用的滞留肠形藻类样本和原始海水样本取自青岛市鳌山湾地区（36.2°N, 120.4°E）。表S3总结了滞留肠形藻类和厌氧接种物的基本物理化学性质。根据已发表的肠形藻类元素分析数据，其碳、氢和氮含量分别约为32.44%、5.36%和0.91%[17]。滞留肠形藻类通常含有42–51%的碳水化合物。

预处理方法对沼气和生物甲烷产量的影响

图1显示了不同预处理条件下肠形藻类厌氧消化的沼气和生物甲烷产量模式。实验数据表明，细胞壁破坏和脱盐预处理显著提高了肠形藻类的沼气和生物甲烷产量。细胞壁破坏破坏了肠形藻类的细胞壁结构，导致细胞质迅速释放，使沼气产量平均增加了86.4%。

结论

未处理系统中较高的盐度和坚固的细胞壁会抑制产甲烷古菌的活性，有利于耐盐的水解细菌，从而限制水解并导致TVFA积累至17,439 mg/L，破坏了产酸-产甲烷平衡。机械破坏预处理通过破坏肠形藻类的细胞壁提高了系统中易降解碳源的可利用性，增强了产甲烷古菌的活性，从而显著提高了沼气产量。

作者贡献声明

黄文山：研究工作、数据分析。吴月：初稿撰写、研究工作。乔俊鹏：方法学设计、数据管理。林飞阳：撰写、审稿与编辑。苏继新：撰写、审稿与编辑。牛启贵：撰写、审稿与编辑、项目管理、方法学设计、资金申请、数据管理、概念构思。

资金来源

作者的研究得到了山东省自然科学基金（项目编号：ZR2024MB158）、国家自然科学基金（项目编号：51608304）和广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2025A1515012777）的支持。本研究有助于海洋负碳排放（ONCE）计划的科学实施。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。