互养生物膜结构而非表面化学性质主导了添加碳导电材料的棕榈油厂废水消化的长期性能

《Bioresource Technology》：Syntrophic biofilm architecture rather than surface chemistry governs the long-term performance of palm oil mill effluent digestion amended with carbon-conductive materials

　　

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  碳毡在棕榈油厂废水（POME）消化的稳态下将单位甲烷产率提高了 22%。
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  生物膜载量能力，而非表面化学性质，决定长期性能。
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  尽管含氧表面基团较少，碳毡的表现仍优于石墨毡。
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  功能基因相似；绝对生物量，而非组成，决定了甲烷产率。
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  碳毡在 150 天内使挥发性脂肪酸保持在抑制阈值以下。

引言

2022 年，印度尼西亚和马来西亚合计占全球棕榈油产量的 83%，这使得棕榈油厂废水（POME）成为废物能源转化中具有战略重要性的大型液体残留物之一（FAO, 2025）。POME 结合了高有机负荷强度（总化学需氧量（TCOD）平均为 72.2 ± 3.4 g·L^?1）和富含脂质的基质，每处理一吨新鲜果串约产生 0.75 吨（Imam et al., 2025）。此前的一项研究报告称其甲烷产率潜力为 0.331 Nm³ ? CH₄·kg COD_removed^–1（Sodri & Septriana, 2022）。大多数工厂依赖开放池系统，将甲烷不受控制地释放到大气中，而无法回收能量。因此，需要向 POME 的封闭厌氧消化（AD）过渡，以实现棕榈油行业的脱碳（Nasrin et al., 2022）。然而，持续运行受到高脂肪、油和油脂含量产生的长链脂肪酸（LCFAs）的限制，后者会抑制甲烷生成（Gulbake et al., 2026），以及 POME 组成的季节性变化，这削弱了其长期可靠性（Dominic & Baidurah, 2022）。

产甲烷效率取决于发酵细菌和产甲烷古菌之间的互营电子交换，这传统上是由可扩散载体（如氢和甲酸盐）介导的，即间接种间电子传递（Baek et al., 2018）。这条途径在热力学上很脆弱，需要低氢分压才能对互营细菌保持能量上的有利（Stams & Plugge, 2009）。直接种间电子传递（DIET）的发现，即电子通过导电菌毛或外膜细胞色素流动而不需要可溶性载体，重新定义了这一依赖性，并为更稳健的互营关系开辟了一条途径（Rotaru et al., 2014, Summers et al., 2010）。

碳基导电材料（CMs）因其化学稳定性、生物相容性和导电结构而被提议用于支持 DIET 相关的产甲烷作用（Adams, 2025, Baek et al., 2018）。碳毡（CF）和碳石墨毡（CGF）是三维材料，其相互连接的宏观纤维间网络，而非纳米级表面孔隙率，促进了微生物定殖、传质和电子传输，此外相对于颗粒碳材料，它们还具有更强的机械稳定性（Dang et al., 2016, Kutlar et al., 2022）。与可能难以在连续系统中保留和从污泥中分离的颗粒活性炭不同，CF 和 CGF 可以作为固定 CMs 实施在反应器内，从而确保导电介质的长期保留（Z. W. Wang et al., 2023）。这种固定介质配置对于工业规模实施尤为有利，因为在工业规模下材料损失和更换成本显著。值得注意的是，据报道石墨毡能增强产甲烷作用，在丙酸盐和丁酸盐降解期间分别使平均 CH₄ 产生速率提高 19.1% 和 16.7%，这种作用归因于 Geobacter、Methanosaeta 和 Methanosarcina spp. 增强的互营活性 Zhang et al., (2019)。这些材料多孔的三维结构促进了生物膜形成，并为互营伙伴之间的电子传递提供了广泛的导电网络（Abdillah et al., 2025）。然而，这种增强是否 specifically 源于 DIET 还是源于共存机制（包括 pH 缓冲、抑制性中间产物吸附和微量元素提供），在复杂的混合培养物中仍然难以确定，因为更广泛的群落结构变化可能会掩盖导电连接。

尽管在理解 CM 辅助产甲烷作用方面取得了重大进展，但 CMs 在长期连续运行期间的性能仍未得到探索。大多数研究依赖批次实验或短期半连续运行，这些运行捕获的是初始群落响应，而不是生物膜成熟和微生物驯化后任何益处的持续性，即使对于最相关的富含 VFA 的 POME 底物，其中颗粒活性炭缩短了产甲烷延滞期（Tan et al., 2021），碳布增加了废油脂共消化中的增量甲烷产生（X. He et al., 2021）。

CMs 可以维持增强效果并允许更高负荷而不失效，如碳布与复杂废物所示（Dang et al., 2016）。然而，其他反应器显示出变化或取决于底物的结果，有些随着群落适应而失去早期优势（Du et al., 2021, Logan et al., 2022）。然而，这种变异性已被最近的 meta-分析标记为该领域最重要的未解决缺口之一（Adams, 2025）。这一缺口在 POME 消化中尤为严重，其中关于 CMs 的研究仅限于在批次实验中使用生物炭（Chang et al., 2025, Yan et al., 2025）和零价铁（Domrongpokkaphan et al., 2021）的颗粒添加剂，其益处归因于非生物电子供体补充和 pH 缓冲，而非 DIET 机制。因此，对于 POME，尚未报道过在足够长的时间尺度上检查生物膜成熟并明确评估 DIET 允许机制的毡状碳介质，而 POME 倾向于 LCFA 积累且具有可能限制生物膜和互营群落结构时间演变的高有机负荷强度。

本研究通过评估在中温条件下超过 150 天半连续 POME 消化中添加 CF 和 CGF 的长期性能、稳定性和潜在的材料层面决定因素来解决这一缺口。除了量化甲烷产率、有机物去除率和过程稳定性外，两种毡状材料对比的表面化学性质、导电性和结构被用来确定任何增强效果是由表面化学性质和体导电性控制，还是由可定殖宏观结构上的生物膜载量能力控制。为此，整合了群落结构、DIET 相关分类群、预测的功能基因潜力、生物膜形态测量和电化学氧化还原活性。本研究提供了长期持续、机制解析的证据，证明了毡状 CM 在半连续 POME 消化中的性能，这与工业规模 CM 辅助消化器的设计直接相关。

章节摘要

接种物和底物的制备

接种物来源于印度尼西亚 Pekanbaru 的 PT. Perkebunan Nusantara IV Regional III AD 的中温连续搅拌罐反应器。实验前，接种物保存在 5 L 反应器中，在中温条件（37 ± 1°C）下使用恒温水浴操作。接种物每周用 POME 喂食，有机负荷率（OLR）为 0.5 g 挥发性固体（VS）_added·L^?1·天^?1，持续一个月，以稳定微生物活性并促进驯化

总固体和挥发性固体去除率

TS 和 VS 去除效率在 150 天中温运行期间的时间曲线，以及平均进水和出水固体浓度，见图 1。进水 TS 和 VS 浓度平均分别为 42.9 ± 4.5 和 37.9 ± 3.7 g·L^?1（VS/TS 比值 = 0.88 ± 0.04），在整个实验过程中 OLR 保持在 1.5 g VS_added·L^?1·天^?1。在驯化阶段（第 0 - 30 天），所有反应器均表现出 VS 去除的大幅波动，其中

结论

本研究提供了长期、半连续的证据，证明毡状碳导电材料在 POME 中维持甲烷增强效果，其中 CF 和 CGF 分别在 VMPR 和 SMY 中提供了 22% 和 11% 的稳态改进。CF 是三种配置中最稳定的。增强效果持续存在而不是消退，表明这是一种稳定的生态状态而不是短暂的启动效果。至关重要的是，尽管其含氧化学性质更丰富，CF 的表现仍优于 CGF 和

CRediT 作者贡献声明

Ayik Abdillah: 写作 – 初稿，可视化，方法论，研究，正式分析，概念化。 Taira Hidaka: 写作 – 审阅与编辑，验证，监督，项目管理，方法论。 Taku Fujiwara: 写作 – 审阅与编辑，监督。 Muzzammil Ngatiman: 数据整理。 Naoko Yoshida: 写作 – 审阅与编辑，项目管理，资金获取。 Ibnu Maulana Hidayatullah: 写作 – 审阅与编辑，资金获取。 Nopa Dwi Maulidiany:

竞争利益声明

作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢 印度尼西亚大学研究基金（PKS-57/UN2.R3/HKP.05.00/2025）和可持续发展科学技术研究伙伴关系（SATREPS），后者由日本科学技术振兴机构（JST）和日本国际协力机构（JICA）资助。作者进一步感谢印度尼西亚 Pekanbaru 的 PT. Perkebunan Nusantara IV 第三区域分公司提供本研究中使用的 POME 样本。作者也衷心感谢助理

Ayik Abdillah|Taira Hidaka|Taku Fujiwara|Muzzammil Ngatiman|Naoko Yoshida|Ibnu Maulana Hidayatullah|Nopa Dwi Maulidiany