在不同pH值、氨胁迫以及接种条件下，比较了纳皮尔草和甘蔗叶片产生的沼气量，这些因素影响了微生物的动态变化和基因表达

《Renewable Energy》：Comparative biogas production from Napier grass and sugarcane leaves under varying pH, ammonia stress, and inoculum conditions affecting microbial dynamics and gene expression

　　

乌马里宁·乔姆诺卡奥（Umarin Jomnonkhaow）、万塔纳萨克·苏克松（Wantanasak Suksong）、今井刚（Tsuyoshi Imai）、阿丽莎拉·伦桑（Alissara Reungsang）

泰国孔敬大学（Khon Kaen University）生物质微生物产氢工艺研发研究小组，孔敬市40002

摘要

季节性变化显著影响纳皮尔草（Napier grass, NG）的产量，而纳皮尔草是一种高效的生物气体生产能源作物。在产量较低的季节，甘蔗叶（Sugarcane Leaves, SCL）成为一种有前景的替代生物质来源。本研究在受控（7.5）和未受控初始pH值（8.19–8.44）条件下，比较了使用五种不同接种源从纳皮尔草和甘蔗叶中产生的甲烷量。结果表明，未受控的pH值有助于提高甲烷产量（MY）和甲烷生产速率（MPR）。在这些条件下，大多数接种源下的纳皮尔草和甘蔗叶的甲烷产量相当；然而，瘤胃液（Rumen Fluid, RF）反应器是一个显著的例外，其性能明显更高。尽管在总氨氮（Total Ammonia Nitrogen, TAN）浓度超过阈值的情况下，厌氧污泥（Anaerobic Sludge, AS）仍实现了最高的甲烷产量（323.9和333.8 mL CH₄/g VS）和甲烷生产速率（254.6和292.8 mL CH₄/L·d）。虽然高TAN水平延长了适应期（9–11天）并抑制了产甲烷菌的数量，但高比例的水解/产酸菌（53.1%）——主要是厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidota）——在AS的性能中发挥了关键作用。耐氨基因ackA和acs也被证实是在氨胁迫下促进甲烷产生的关键因素。此外，瘤胃液反应器通过乙酸裂解途径实现了第二高的甲烷产量和甲烷生产速率，这得益于产乙酸菌与Methanosaeta之间的平衡共生关系。这些发现表明，在产量较低的季节将甘蔗叶整合到基于纳皮尔草的生物气体反应器中是可行的，有助于实现泰国的可再生能源目标和甘蔗产业的生物经济发展。

引言

泰国雄心勃勃的替代能源发展计划旨在将基于生物气体和能源作物的发电量从2014年的311.5兆瓦增加到2030年的1280兆瓦，其中特别关注纳皮尔草（NG）[1]。要实现这一目标，必须考虑几个关键因素，其中原料供应至关重要[2]。季节性变化对纳皮尔草的产量有显著影响。虽然纳皮尔草的产量在雨季（5月至9月）达到峰值，但在旱季（10月至4月）会大幅下降[3]。Rengsirikul等人的研究[4]显示，经过3个月培养的纳皮尔草生物质在5月（18.8吨/公顷）和8月（17.2吨/公顷）达到峰值，但在11月（15.6吨/公顷）和2月（6.7吨/公顷）显著下降（图1a），这可能影响旱季生物气体反应器的可持续性。

幸运的是，甘蔗生产在旱季可以通过其叶片残渣提供补充解决方案。2020年，泰国的甘蔗产量达到7300万吨，收获期从12月中旬持续到3月[5]。甘蔗种植产生的总生物质中有25–30%为作物残渣，主要是叶片和茎秆[6]。按照25%的残渣比例计算，估计共产生了1825万吨残渣，其中456万吨是在四个月的收获期内产生的（图1a）。甘蔗叶片（SCL）的组成使其特别适合厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）。由于其高纤维素（27.8–44.0%）和半纤维素（19.4–22.0%）含量以及低木质素（17.0–27.1%）水平[7]，[8]，这些叶片的组成与纳皮尔草相似，纳皮尔草的纤维素含量为30.4–40.1%，半纤维素含量为20.8–32.3%，木质素含量为10.2–18.1%[9]，[10]。因此，在旱季将甘蔗叶整合到基于纳皮尔草的生物气体反应器中，既有助于废物管理，又能实现连续的生物气体生产。

除了选择合适的底物外，接种源的选择对AD的成功也起着至关重要的作用。合适的接种源可以加速启动阶段的适应过程，提高生物质的消化率，并增加甲烷产量[11]。动物粪便和污水污泥常用于AD过程。然而，由于它们含有较高的有机氮，这些过程经常遇到氨毒性[12]。尽管氨对微生物来说是重要的缓冲剂和营养物质，但高浓度的氨会导致抑制作用。此外，在较高的pH值下，氨（NH₄⁺）和游离氨（FAN; NH₃）之间的平衡会向NH₃方向偏移，而NH₃的抑制作用更为明显，即使在较低浓度下也是如此[13]。选择一种天生耐氨且能够适应氨胁迫的接种源可以提高整个适应过程的效率。此外，pH值在LCB（Lignocellulosic Biomass）中有机物的溶解过程中也起着关键作用。虽然普遍认为6.7–7.5的pH范围最适合产甲烷[14]，但各种LCB（如柳枝稷和稻草）的AD初始pH值通常调整为7.0或7.5[15]，[16]。然而，Chen等人[17]报告称，在碱性条件下可以进一步促进水解。在他们使用市政污泥水解湿地香蒲植物的研究中，将pH值调整到9.0后，纤维素、半纤维素和木质素的去除率分别提高了30.9%、35.2%和12.4%；这比pH值为7.0时的27.0%、32.1%和5.3%有显著提高。这种改善与pH值为9.0时更高的可溶性化学需氧量（COD）相关。值得注意的是，两种pH值下水解酶（如纤维二糖水解酶、β-1,4-葡糖苷酶和木聚糖酶）的活性没有显著差异。作者认为，酶活性并非水解的唯一驱动因素；碱性条件促进了酯的降解，从而减少了木质素与碳水化合物之间的物理键。典型的AD接种源，如活性污泥和动物粪便，通常具有天然的碱性，pH值通常在7.92到8.46之间[16]，[18]，这些值略高于常用的7.0–7.5的调整值，表明它们与有利于LCB水解的碱性条件相吻合。因此，本研究在两种不同的初始pH条件下比较了纳皮尔草和甘蔗叶的甲烷产量：一种是优化的产甲烷条件（pH 7.5），另一种是未受控制的接种源-生物质混合物的pH条件（8.19–8.44），后者更接近有利于碳水化合物溶解的碱性条件。

鉴于这些考虑因素，本研究旨在通过比较五种不同接种源（大象粪便（EM）、牛粪（CM）、瘤胃液（RF）、消化后的猪粪（DM）和厌氧污泥（AS）在两种初始pH条件（调整前后）下的甲烷生产效率，来评估从纳皮尔草和甘蔗叶中生产甲烷的有效性。分析了这些接种源和pH值对氨浓度和甲烷动力学参数的影响。此外，在发酵过程结束时，还分析了微生物群落谱型和基因表达，以确定每种接种源中的优势细菌和古菌群落及其相关的耐氨基因。这些发现不仅有助于实现泰国的可再生能源目标，还为建立可持续的、全年性的生物气体原料生产提供了可行的框架。

章节片段

接种源

大象粪便（EM）采集自泰国清迈的Maesa Elephant Camp。用蒸馏水以1:1（w/v）的比例稀释，并通过搅拌器手动混合均匀。去除不需要的固体，留下含有沉淀物的液体部分作为接种源。牛粪（CM）和瘤胃液（RF）来自泰国孔敬大学农业学院的动物科学系。猪粪（DM）由梅乔大学（Maejo University）的动物科学与技术学院提供

纳皮尔草和甘蔗叶的特性

根据纳皮尔草和甘蔗叶的化学成分分析（表1），它们的纤维素（38.1 ± 0.8%和37.2 ± 0.7%）和半纤维素（24.4 ± 0.5%和25.7 ± 0.6%）含量处于相同范围内，而纳皮尔草的木质素含量（26.6 ± 0.9%）略低于甘蔗叶（28.7 ± 0.3%）。通常，在LCB的AD过程中，纤维素和半纤维素是主要被分解以产生甲烷的成分，而木质素的降解程度较低。Phuttaro等人[10]也观察到了这一点

结论

研究表明，纳皮尔草的甲烷产量和甲烷生产速率（MPR）高于甘蔗叶，这可能是由于其较低的木质素含量和CrI，以及较高的氮含量。然而，在未受控制的初始pH值下，两种生物质类型的甲烷产量在相同的接种源下没有显著差异，瘤胃液反应器是一个例外。尽管在较高TAN浓度下运行，厌氧污泥（AS）仍显示出最高的甲烷产量和甲烷生产速率。水解/产酸菌的丰富度（53.1%）发挥了重要作用

CRediT作者贡献声明

今井刚（Tsuyoshi Imai）：撰写 – 审稿与编辑、验证。阿丽莎拉·伦桑（Alissara Reungsang）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。乌马里宁·乔姆诺卡奥（Umarin Jomnonkhaow）：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、方法学研究、数据分析、数据管理、概念构思。万塔纳萨克·苏克松（Wantanasak Suksong）：撰写 – 原稿撰写、可视化

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了泰国孔敬大学研究部的支持，以及孔敬大学的2024年基础基金的支持，该基金获得了泰国国家科学研究与创新基金和泰国国家研究委员会（NRCT）的资助。该项目部分由泰国国家研究委员会（NRCT）（项目编号N42A670487）资助。作者感谢亚洲发展学院社区系的Chayanon Sawatdeenarunat助理教授的帮助