亚高温水解耦合两相厌氧消化：调控代谢物以加速电子传递并提升甲烷生成效率

《Environmental Research》：Two-Phase Anaerobic Digestion with Sub-Thermophilic Hydrolysis: Regulating Metabolites to Accelerate Electron Transfer and Enhance Methanogenesis

　　

摘要

亚热厌氧消化可通过加速复杂底物的水解与酸化过程来提升甲烷产量，但在这种条件下甲烷菌的活性可能会受到抑制。两相厌氧消化系统能够将水解酸化阶段与甲烷生成阶段分开，从而优化各阶段的微生物活性。因此，本研究提出了一种新的温度分相策略，即将45℃的水解酸化阶段与37℃的甲烷生成阶段相结合（TPAD45°C/37°C），以此加速农业废弃物的降解，避免亚热温度对甲烷生成的抑制作用。实验结果表明，与37℃对照组相比，45℃的水解阶段能提高乙醇和乙酸的产量，同时降低丙酸的生成量。在20天的固体停留时间下，TPAD45°C/37°C组的甲烷产率分别比TPAD37°C/37°C组和TPAD45°C/45°C组高31.8%和13.0%。从机制上看，TPAD45°C/37°C组的McrA活性及辅酶F₄₂₀含量最高，表明其甲烷生成能力更强。此外，塔菲尔极化分析和温度依赖性电导率分析显示，45℃水解产物中较高的乙醇浓度为降低能量障碍、提升电子传递速率提供了更强的热力学驱动力，进而促进了甲烷生成。同时，TPAD45°C/37°C组的整体代谢潜力也最高。微生物群落分析表明，该系统有利于甲烷菌的生长，进而促进复杂底物的降解并提升甲烷产量。本研究为农业废弃物的可持续利用提供了一种经济可行、能源正向且具有较强适应性的技术策略。

引言

厌氧消化是有机废弃物资源化处理的核心技术，能够产生甲烷等能源载体（Wang等人，2025年；Zhu等人，2026年）。其高效运行依赖于水解、酸化、乙酸生成和甲烷生成这四种代谢过程的协同作用（Ni等人，2022年）。根据甲烷菌的最佳生长温度，厌氧消化传统上被分为中温型（30–40℃）和高温型（50–65℃）系统（Zhang等人，2024b年）。为减少能源投入，大多数实际应用的厌氧消化系统都在中温条件下运行。然而，富含木质纤维素的农业废弃物结构稳定，难以降解，这使得水解成为传统中温（37℃）厌氧消化过程中的限速步骤（Deng等人，2025年）。

近期研究指出，亚热温度（41–49℃）可加速农业废弃物的水解与酸化过程，为甲烷菌提供有利的代谢前体（Mao等人，2026年）。例如，在牛粪的亚热厌氧消化过程中，降解木质纤维素的细菌（如梭菌属）以及水解发酵微生物（如醋酸维氏菌和发酵单胞菌）的数量会增加，这些微生物有助于木质纤维素的降解，促使大分子有机物转化为乙酸和乙醇，同时减少丙酸的积累。这样一来，与传统中温条件相比，甲烷产率提升了28.5%。

不过，由于水解酸化细菌和甲烷菌的最适温度存在差异（Xu等人，2024年），若将单相系统的温度提升到亚热范围，虽然可以加速水解，但会抑制甲烷菌的生长，从而限制厌氧消化性能的进一步提升（Mao等人，2026年）。引入两相厌氧消化系统后，可以将水解酸化阶段与甲烷生成阶段分开，为这两种微生物分别创造最适宜的生存环境，从而提升它们的代谢活性（Li等人，2020b年）。传统的两相厌氧系统通常在中温条件下运行，通过在专门的水解阶段承受更高的有机负荷，可以有效提升水解酸化的效率（Amha等人，2019年；Heyer等人，2023年），因此这类系统非常适合处理高浓度有机废水。在处理农业废弃物时，水解酸化阶段虽能为底物水解提供有利条件，但由于木质纤维素本身的结构稳定性，它依然仍是两相厌氧系统中的限速步骤。

从理论上讲，在两相系统的初始水解酸化阶段，将温度提升到亚热范围可加速木质纤维素的降解，并有选择地调控发酵产物，提高乙酸和乙醇的产量。而后续的甲烷生成阶段则在中温条件下进行，这样既能为甲烷菌提供最适宜的代谢环境，又能避免亚热温度对关键酶活性的抑制。

值得注意的是，将亚热条件下产生的富含乙醇的水解液接入中温甲烷生成阶段，有望克服传统种间氢转移所面临的热力学障碍。作为高能量电子供体，乙醇能够有效推动直接种间电子转移途径的建立，为甲烷生成提供代谢驱动力（Feng等人，2021年；Li等人，2021年）。从热力学角度分析，在标准生物条件下，乙醇被电活性细菌氧化的反应（2CH₃CH₂OH + 2H₂O → 2CH₃COO^- + 10H⁺ + 8e^-，ΔG^0’ = ?297.2 kJ/8 mol e^-）所产生的每电子当量能量值，要高于乙酸（CH₃COO^- + 2H₂O → 2CO₂+ 7H⁺ + 8e^?，ΔG⁰′ = -221.4 kJ/8mol e^?）和丙酸（4/3CH₃CH₂COO^? + 8/3H₂O → 4/3CH₃COO^? + 4/3CO₂ + 8H⁺ + 8e^?，ΔG⁰′ = ?210.8 kJ/8 mol e^?）等其他短链脂肪酸（Zhao等人，2021年）。这种更高的能量释放有助于实现高效的细胞外电子转移，进而将二氧化碳还原为甲烷（CO₂ + 8H⁺ + 8e^- = CH₄ + 2H₂O，ΔG^0’ = + 185.3 kJ/mol）。

不过，目前关于这种两相温度控制策略能否提升农业废弃物的降解效率，以及能否调节水解酸化产物的组成以改善厌氧消化性能，相关研究还比较有限。

将碳含量高的玉米秸秆与氮含量高的牛粪这类互补性强的农业废弃物进行厌氧共消化，是一种非常有效的处理方法。这种策略能够平衡碳氮比，稀释可能具有抑制作用的物质，还能提供协同作用的微量营养元素。这些优势显著提升了系统的缓冲能力与整体工艺稳定性（Zhao等人，2024年）。因此，本研究以牛粪和玉米秸秆作为典型的木质纤维素类底物，探讨了一种新的两相厌氧消化系统的性能及其作用机制，该系统结合了亚热水解酸化阶段与中温甲烷生成阶段。本研究的主要内容包括：（i）分别研究亚热水解酸化阶段和中温甲烷生成阶段的性能；（ii）系统比较单相系统与两相系统的厌氧消化性能；（iii）通过包括温度依赖性电导率和塔菲尔极化测试在内的电化学分析方法，研究适应于中温及亚热水解酸化阶段废液的甲烷生成污泥的电活性；（iv）通过宏基因组分析，揭示甲烷生成阶段污泥的微生物群落结构与代谢功能路径。本研究为提升农业木质纤维素废弃物厌氧消化的性能并优化相关工艺提供了新的思路与技术支持。

章节节选

厌氧消化系统的构建与运行

接种污泥和牛粪采集自中国杭州的一家有机废弃物处理企业。接种污泥的悬浮固体总浓度为21.23 ± 0.40 g/L，挥发性固体浓度为6.04 ± 0.79 g/L。牛粪与去离子水按1:1（质量/体积）的比例混合制成浆液，该浆液的悬浮固体浓度为181.79 ± 10.70 g/L，挥发性固体浓度为138.43 ± 4.12 g/L。其木质纤维素成分中半纤维素占比为25.6%，纤维素占比为28.5%

水解酸化阶段的性能表现

在本研究中，以玉米秸秆和牛粪为底物，比较了在亚热条件（45℃）和中温条件（37℃）下水解酸化阶段的产物分布情况。如图1所示，45℃条件下的总短链脂肪酸浓度从第3天的6265.3 mg/L上升到第4天的6385.4 mg/L，增幅仅为1.9%。通常而言，每日增幅低于5%可视为系统稳定的标志，因此可以认为水解酸化阶段已经达到了稳定状态

结论

本研究采用了一种新的温度分相两阶段厌氧消化策略，即结合45℃的水解酸化阶段与37℃的甲烷生成阶段（TPAD45°C/37°C），旨在提升农业废弃物的厌氧消化性能。45℃的亚热预水解阶段加速了木质纤维素的降解，同时定向调控了发酵中间产物的生成，使得乙酸和乙醇的产量增加，丙酸的积累量则有所下降。良好的

作者贡献说明

毛浩浩：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿编写，数据整理，概念构思。王学鹏：论文撰写——审阅与编辑。邓颖：论文撰写——审阅与编辑，方法设计。张耀斌：论文撰写——审阅与编辑，资金筹集，概念构思。赵志强：概念构思。于启林：论文撰写——审阅与编辑，方法设计

数据可用性

本研究生成或分析的所有数据均包含在本文正文中以及相应的补充信息文件中。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明自己没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢中国国家重点研发计划项目（2023YFD1701401）所提供的财政支持。

毛浩浩|邓颖|王学鹏|于启林|赵志强|张耀斌

中国辽宁省大连市116024，大连理工大学环境科学与技术学院，教育部工业生态与环境工程重点实验室，大连理工大学