《Bioresource Technology》：Ethanol pretreatment drives microbial community adaptation to overcome acidification in high-solid anaerobic digestion of food waste under rapid organic loading shock
编辑推荐：
•乙醇预处理（EP）增强了反应器对抗快速负荷冲击的稳健性。•酸化过程从不可逆的酸性降解转变为可控制的乙酸积累。•EP富集了电活性微生物和IV型菌毛，为DIET提供了证据。•EP富集了低丰度的MAG，赋予了挥发性脂肪酸降解的功能冗余性。•EP通过复合体II和V/A-ATP酶降低
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乙醇预处理（EP）增强了反应器对抗快速负荷冲击的稳健性。
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酸化过程从不可逆的酸性降解转变为可控制的乙酸积累。
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EP富集了电活性微生物和IV型菌毛，为DIET提供了证据。
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EP富集了低丰度的MAG，赋予了挥发性脂肪酸降解的功能冗余性。
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EP通过复合体II和V/A-ATP酶降低了热力学能垒。
引言
随着社会经济的快速发展，全球食物浪费（FW）的产生量持续上升，对高效、资源导向的处理技术提出了迫切需求（J. Zhao et al., 2024）。厌氧消化（AD）技术将食物废物中的有机物质转化为沼气，是一种兼具废物处理和能源回收双重效益的主流技术（Ye et al., 2026）。特别是高固含厌氧消化（总固体≥15%），凭借其高负荷能力、高甲烷产率和减少消化液产量等优势，在食物废物处理领域展现出显著的应用前景（Zhang et al., 2024）。
然而，高固含加剧了厌氧消化系统内的传质限制，往往抑制产酸菌与产甲烷菌之间关键种间氢转移（IHT）（Li et al., 2022）。由此产生的氢气积累在热力学上阻碍了挥发性脂肪酸（VFAs）的降解，如丙酸和丁酸，极易引发VFA积累和系统失稳（Wu et al., 2025）。为突破这一瓶颈，直接种间电子转移（DIET）被提出作为一种不依赖氢气为中介、使共生微生物之间实现直接电子转移的更高效能量交换模式（Li et al., 2024）。诱导DIET的常用策略包括添加导电材料、施加外电场或引入乙醇等特定底物（Li et al., 2022; Zhang et al., 2024）。相比之下，利用酵母对食物废物进行乙醇预处理（EP），在投料阶段重塑底物的代谢物谱，使其从以丙酸等长链VFA为主转变为以乙酸和乙醇为中心的复合代谢谱。该方法已被证明是引入乙醇更具成本效益的策略（Zhao et al., 2021）。
尽管已有研究表明EP能够提高湿式厌氧消化系统中的甲烷产量和过程稳定性（Feng et al., 2021），但其在高固含食物废物厌氧消化中的协同效应及潜在机制尚不明确。更重要的是，大多数现有研究均在稳态操作条件下进行，即系统在固定的有机负荷率（OLR）下运行，持续时间远超过水力停留时间，从而达到代谢平衡（Wu et al., 2025; Zhang et al., 2024）。然而，这些理想化的实验条件与实际工程运行差异较大。由于食物废物的日组分波动较大、季节波动显著以及进料量的调整（Zhao et al., 2024），全尺度厌氧反应器经常处于动态非稳态条件下运行，甚至可能遭遇快速的有机负荷冲击。因此，理解厌氧消化系统——尤其是其核心组分微生物群落——如何应对快速变化的OLR并展现抗冲击韧性，对于提高工程系统的运行稳定性具有重要的实践意义。
鉴于此，本研究提出假设：EP能够通过引导微生物群落向特定适应性策略转变，从而增强高固含厌氧消化系统应对快速上升OLR冲击的韧性。为验证该假设，本研究对食物废物进行EP处理，随后在间歇半连续高固含厌氧消化反应器中开展快速递增OLR的实验方案。监测了系统运行性能，并结合热力学计算以识别关键代谢瓶颈。此外，采用宏基因组学方法，结合宏基因组组装和分箱技术，从基因和代谢网络水平解析微生物群落的功能适应和生态互作机制，并筛选关键微生物类群。本研究旨在为EP如何驱动微生物群落克服高固含厌氧消化中的热力学和代谢限制提供新的多维见解，为增强厌氧消化系统应对波动操作条件的运行韧性提供机制依据。
章节摘要
底物、接种物与EP微生物制剂
本研究使用的食物废物收集自重庆大学食堂。手动去除不可生物降解组分和油脂后，将食物废物用搅拌机均质化处理，并在?20°C下保存以备后续使用。接种物取自重庆市某污水处理厂的厌氧消化反应器，并在实验室规模的连续流反应器中以食物废物为唯一底物连续驯化60天，以增强其适应性。微生物
EP组对抗负荷冲击的优越稳健性
系统在逐步递增OLR下的运行性能如图1所示。在OLR 2.0至5.0 g VS/(L·d)范围内，两组的甲烷产量均随OLR的升高而增加；然而，EP组始终优于对照组（CK），且在高OLR下优势更为明显（图1a）。在这一阶段，未观察到VFA的显著积累，系统运行稳定。当OLR增至5.5 g VS/(L·d)时，系统的稳定性
结论
本研究阐明了EP在模拟快速负荷冲击条件下增强食物废物高固含厌氧消化的机制。在有机负荷率为6.0 g VS/(L?d)时，EP组的甲烷产量下降不足5%，而对照组因不可逆酸化而下降超过70%。这些结果验证了引言中提出的假设：EP驱动微生物群落三个层级的协同适应性变化，共同构成了核心
作者贡献声明（CRediT）
黄佳琪：撰写—初稿、可视化、方法论、数据管理、概念构思。李磊：撰写—审阅与编辑、项目管理、资金获取。叶文杰：调查研究。韩林培：调查研究。刘永利：调查研究。占斌：。许云：调查研究。彭旭亚：指导监督。
未引用参考文献
Zhang et al., 2024a, Zhang et al., 2024b, Zhao et al., 2024a, Zhao et al., 2024b.
利益冲突声明
作者声明，不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（资助编号 52470139）和重庆市自然科学基金（资助编号CSTB2024NSCQQCXMX0088）的资助。
黄佳琪|李磊|叶文杰|韩林培|刘永利|占斌|许云|彭旭亚
