过氧化钙与金黄毛霉联用提升农业废弃物厌氧消化过程中甲烷产量的机制

《Biomass and Bioenergy》：Mechanism of methane production enhancement in anaerobic digestion of agricultural waste via calcium peroxide coupled with Phanerochaete chrysosporium

　　

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  添加CaO₂与P. chrysosporium后，木质纤维素降解和甲烷生成效率均得到提升。
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  CaO₂能改变氧化还原电位，营造利于P. chrysosporium生长的微好氧环境。
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  反应活性物质增多，电子传递能力也得到改善。
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  与腐殖质形成相关的脂肪酸及其相关基因的相对含量有所上升。
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  P. chrysosporium降低了ROS防御系统相关基因的相对含量。

引言

由于人口增长、城市化以及消费水平提高，全球农业废弃物产量持续上升，但其资源化利用程度仍较为有限[1]。以中国为例，每年产生的秸秆约9亿吨，畜禽粪便约38亿吨。其中约有2亿吨秸秆未被利用，而粪便的利用率还不到60%[2]。厌氧消化被认为是一种可将农业废弃物转化为可再生能源（如生物气）的可持续低碳技术[3]。然而，秸秆和牛粪中较高的木质纤维素含量会限制其可降解性及甲烷生成效率[4]。具体而言，秸秆中含有40-50%的纤维素和25-35%的半纤维素，这些成分又嵌在15-20%的木质素中，共同构成了难以分解的木质纤维素结构[5,6]。这种结构会阻碍微生物接触碳水化合物，进而降低厌氧生物转化效率。

过氧化钙（CaO₂）是一种用途广泛的固体氧化剂，它具有稳定的氧化性能、良好的生物相容性以及较低的成本[7]。当溶解在水中时，CaO₂会以可控的速度缓慢分解，释放出H₂O₂（CaO₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂O₂）和O₂（2CaO₂ + 2H₂O → 2Ca(OH)₂ + O₂）[8]。因此，它被广泛用于固体有机废弃物的厌氧消化过程[9]。例如，CaO₂产生的活性氧物种能够破坏废物活性污泥中的EPS和细胞膜结构，从而促使可溶性化学需氧量升高[10]。此外，CaO₂的加入还能增强对固体有机废弃物中抗生素抗性基因及内分泌干扰物等污染物的去除效果，这一作用主要得益于•OH自由基的作用[7]。值得注意的是，添加CaO₂还能增加好氧菌和/或兼性微生物的数量，从而加快玉米秸秆厌氧消化过程中的水解速度[11]。此外，Tian等人发现，在处理能力超负荷的消化系统中适量添加CaO₂，有助于将挥发性脂肪酸前体有氧转化为CO₂[12]。这表明CaO₂可能成为厌氧消化过程中实现微好氧环境的有效替代手段。不过，关于其作为固体氧源创造微好氧条件的潜力，目前仅有少数研究进行探讨。

近期有研究指出，在厌氧系统中适当通入空气或氧气，可通过增加兼性水解酸化菌的数量，缩短水解和酸化的启动时间[13,14]。此外，在微好氧条件下，含木质纤维素的底物向腐殖质转化的速度会加快，这使得富里酸含量增加了20.4%，胡敏酸含量则提升了32.6%[15]。这类富含含氧官能团（如醌类）的腐殖质可作为电子载体，促进供电子微生物与产甲烷菌之间的电子传递[16]。通常情况下，专性厌氧菌尤其是产甲烷菌缺乏抗氧化防御系统，因此在微好氧环境中容易受到氧化应激的伤害[17]。虽然一些严格厌氧菌可能会产生抗氧化酶来适应氧化环境，但在厌氧消化过程中，兼性微生物与厌氧菌的共存及协同作用也能为微生物提供额外的耐氧机制[13]。这就意味着，将微好氧处理与生物强化措施相结合，尤其是通过添加好氧微生物菌剂，有望进一步提升厌氧菌在微好氧条件下的适应性及处理效率。

将能够降解木质纤维素的微生物与微好氧处理相结合，有望进一步提升农业废弃物的厌氧消化效率。白腐真菌会在好氧条件下分泌胞外酶，如漆酶、锰过氧化物酶和木质素过氧化物酶，这些酶能够分解木质素，释放出纤维素和半纤维素[18,19]。Gong等人发现，在初始残氧浓度为4.1-4.5?mg/L的玉米秸秆厌氧消化过程中，添加Phanerochaete chrysosporium后，不仅可溶性化学需氧量有所上升，总化学需氧量的去除效率也显著提高[20]。这一效果得益于木质纤维素降解酶的分泌增加以及活性氧的产生[20,21]。由此可以推测，在CaO₂与P. chrysosporium联合处理的系统中，活性氧会直接分解木质素，而释放出的氧气则有利于白腐真菌的生长，从而形成一种化学与生物协同作用的过程。同时，微好氧环境还有助于腐殖质的形成，并促进微生物之间的电子传递，进而提高甲烷生成效率。不过据我们所知，目前尚未有研究将这种策略应用于厌氧消化领域。

本研究旨在探究CaO₂与P. chrysosporium（最常用的白腐真菌）在玉米秸秆和牛粪厌氧共消化过程中的协同作用，尤其是其对甲烷生成和木质纤维素降解的影响。具体研究目标包括：（1）检测甲烷生成量，并分析木质纤维素的含量及结构变化；（2）通过测定挥发性脂肪酸组成、富里酸和胡敏酸浓度、循环伏安法以及电化学阻抗谱，了解有机底物的转化情况、腐殖质的形成过程以及微生物的电子传递能力；（3）利用高通量测序和宏基因组分析技术，研究微生物群落结构的变化，以及与木质纤维素降解、产甲烷、腐殖质形成和ROS防御相关的基因的相对含量。

章节摘要

接种物与底物的特性分析

玉米秸秆的固体总量为93.8%，其中挥发性固体占固体总量的72.3%，这些秸秆采集自中国连云港的农户；而牛粪的固体总量为34.8%，挥发性固体占固体总量的74.3%，牛粪则来自中国杭州的农户。实验中使用的接种物为某厌氧牛粪处理厂产生的污泥，其固体总量为83.3?g/L，挥发性固体含量为64.7?g/L。过氧化钙（CaO₂，纯度为75%）购自山东AEX化学科技有限公司，而P. chrysosporium则来自河南工业微生物菌种工程中心。

实验效果

在为期40天的实验中，添加CaO₂并与P. chrysosporium联合处理的组别（Pc-CaO₂组）的甲烷生成量明显更高（见图1a）。实验结束时，对照组（仅添加经过灭菌的P. chrysosporium，未添加CaO₂）的累计甲烷生成量为75.3?mL/g VS_initial，而添加CaO₂的组别该数值提升了15.5%，Pc-CaO₂组的提升幅度则达到了22.0%。实验开始时，作为主要有机底物的木质纤维素具有较强的抗降解性

结论

本研究提出了一种新的化学与生物结合的处理策略，即通过将CaO₂与能够降解木质纤维素的真菌P. chrysosporium相结合，提升玉米秸秆和牛粪的厌氧共消化效率。在该系统中，CaO₂不仅能产生活性氧，还能营造有利于P. chrysosporium生长的微好氧环境，进而促进木质素的降解。FTIR分析结果显示，木质素与半纤维素/纤维素之间的连接变得较弱，这进一步加速了它们的转化过程

作者贡献说明

Zhen Jin：数据整理，论文初稿撰写。Qilin Yu：实验方法设计。Zhiqiang Zhao：研究概念构思。Yaobin Zhang：实验指导，论文审阅与修改。

利益冲突声明

在本研究中，我们声明不存在与本研究内容相关的任何财务或非财务利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金[52500153, 52300151]以及教育部工业生态与环境工程重点实验室[DUT24ZD413]的支持。

Zhen Jin|Qilin Yu|Zhiqiang Zhao|Yaobin Zhang