《Bioresource Technology》：Microbial community restructuring and anaerobic digestion performance under mesophilic (35°C) and intermediate-temperature (45°C) conditions: effects of feedstock and inoculum from start-up to long-term operation
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食品废物消化在45°C下表现出稳健的性能。污水污泥消化在35°C和45°C下表现相当。丙酸氧化及其相关细菌被确定为瓶颈。接种物匹配可能在食品废物消化器启动过程中尤为重要。在45°
食品废物消化在45°C下表现出稳健的性能。污水污泥消化在35°C和45°C下表现相当。丙酸氧化及其相关细菌被确定为瓶颈。接种物匹配可能在食品废物消化器启动过程中尤为重要。在45°C下消化是传统35°C条件的一个可行替代方案。
厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）作为实现脱碳、循环废物管理和能源安全的关键技术，在可再生能源战略中占据重要地位。食品废物（Food Waste, FW）和污水污泥（Sewage Sludge, SS）是两种常见的AD原料，但它们在生化组成和可消化性上存在显著差异，直接影响微生物代谢和过程性能。FW富含易生物降解有机物，具有高甲烷潜力但易导致挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFA）积累和pH下降；SS因水解缓慢而更稳定，但甲烷产量有限。传统AD操作温度主要集中在中温（35°C）和高温（50-55°C），而中间温度（40-45°C）作为折衷方案逐渐受到关注，然而其效果因原料而异，且对于FW和SS在中间温度下的微生物群落动态和启动过程尚缺乏系统理解。此外，接种物热历史对启动适应和过程恢复力的影响仍不明确，尽管其在全规模启动和过程韧性中具有实际意义。为此，Yu-Qi Li、Tararag Pincam、Yasmine Aissaoui和Yong-Qiang Liu等研究人员开展了本研究，旨在评估原料特性、接种物适应历史和操作温度对甲烷产量和过程恢复力的相互作用，并探讨微生物群落重组。研究结论表明，FW消化在45°C下性能更稳健，SS在35°C和45°C下表现相当；丙酸（propionate）氧化及其相关细菌被确定为FW消化过程中的关键瓶颈；接种物匹配在FW消化器启动中尤为重要；45°C是传统35°C条件的可行替代方案。本研究将原料依赖性温度响应的理解从能源作物扩展到FW和SS，建立了启动行为和长期稳定性与微生物群落变化的联系，为实际应用提供了指导。该论文发表在《Bioresource Technology》。
研究人员为开展研究用了到几个主要关键的技术方法。他们使用来自全规模FW消化器（45°C）和Millbrook污水处理厂（Southampton, UK；35°C）的接种物，以及FW和SS作为原料，在实验室规模半连续消化器中运行。消化器在35°C或45°C下搅拌（40 rpm），采用批次进料（每两天一次）。操作分为三个阶段，固体停留时间（Solids Retention Time, SRT）分别为35天（第1-104天）、14天（第105-158天）和20天（第159-238天）。通过气体计数器和气相色谱监测沼气产量和甲烷含量，定期分析消化液pH、总VFA、碱度、总氨氮等。微生物群落分析采用16S rRNA基因V3-V4区域扩增子测序（Illumina平台），经QIIME2流程处理，进行α和β多样性分析及分类学注释。
研究结果按以下小标题呈现：
3.1 Process performance and resilience during start-up and long-term operation：通过长期监测甲烷产量，研究人员发现FW45在启动后约45天稳定，而FW35启动困难，需pH调节和暂停进料，在SRT缩短至14天后甲烷产量下降，但后期恢复；SS35和SS45在整个过程中均稳定。这表明FW消化对温度更敏感，而SS具有较强恢复力。
3.2 Process stability indicators under different feedstocks, temperatures, and operational condition changes：通过pH、IA/PA比值（中间碱度/部分碱度）和总VFA分析，研究人员发现FW系统VFA波动大，FW35的IA/PA比值常超过0.9，指示酸化和产甲烷失衡；SS系统则保持低VFA和IA/PA比值。VFA是更敏感的扰动指标，IA/PA可佐证持续VFA积累。
3.3 VFA compositions during start-up and propionic acid accumulation during long-term operation：VFA组成分析显示，启动期FW系统出现混合酸积累（乙酸、丁酸），长期运行中FW35主要积累丙酸，丙酸/乙酸比远超2.0的安全阈值，表明丙酸氧化成为限制步骤；SS系统启动后VFA很快降至低水平。
3.4 Microbial community diversity under different feedstocks, temperatures, and operational conditions：α多样性显示SS系统丰富度和多样性高于FW系统，45°C下多样性低于35°C。β多样性PCoA分析表明，温度和原料是微生物群落结构的主要驱动因素，FW35和SS45的群落随操作阶段变化更大。
3.5 Microbial community dynamics：通过分类学功能注释，研究人员发现FW45中水解/发酵菌群（如Firmicutes、Thermotogota）和合成营养菌群（如Syntrophomonas、Tepidanaerobacter）相对稳定，产甲烷菌从Methanoculleus转变为Methanosarcina。FW35在SRT缩短和原料批次变化后，关键丙酸氧化合成营养菌Pelotomaculum消失，导致丙酸积累和甲烷产量下降。SS系统合成营养菌群和产甲烷菌群相对稳定，尽管SS45中产甲烷菌组成变化较大，但甲烷产量稳定。
总结讨论部分，研究人员将结果与先前工作比较，发现45°C可能是多种原料（能源作物、SS、FW）的最佳AD温度，但接种物热历史未控制，且实验室无重复，限制了解释。研究结论部分翻译如下：本研究结果表明，原料消化性是影响中温（35°C）和中间温度（45°C）条件下厌氧消化性能和稳定性的主要因素之一。易消化的食品废物在操作扰动中更容易出现VFA积累和不稳定，特别是在中温条件下，而较难生物降解的污水污泥在测试温度下保持了稳定的甲烷产量和更大的恢复力。尽管产甲烷群落组成发生变化，SS仍保持稳定，而FW稳定性与微生物群落变化更密切相关。中间温度操作改善了FW消化，并与更强的合成营养脂肪酸和丙酸氧化以及氢营养产甲烷的微生物支持相关。虽然中温FW消化在管理启动期间初步适应，但缺乏对后续操作条件变化的恢复力，这可能归因于其较短的稳定期，由于接种物热历史与操作温度之间的不匹配，或35°C下本身的不稳定，或两者组合，需要进一步研究。本研究结果将原料依赖性温度响应的理解扩展到FW和SS，将启动行为和长期稳定性与微生物群落变化联系起来，为接种物选择、反应器启动和温度管理提供了实践指导。
