富硫植物油份对食品废物厌氧消化的原料特异性效应：硫化物相关氧化还原扰动与微生物适应性重组

《Bioresource Technology》：Feedstock-specific effects of sulfur-rich vegetable fractions on food waste anaerobic digestion: Sulfide-associated redox perturbation and adaptive microbial reassembly

　　富硫蔬菜在食物垃圾厌氧消化中引发了不同的响应。• 白菜和卷心菜导致硫化物相关的ROS升高和甲烷产生的双相响应。• ROS伴随着生物能量学障碍和产酸作用–产甲烷作用解耦。• 与氧化还原相关的群落重建特征在于PFOR–Rnf载体和Methanosarcina（甲烷弧菌属）的富集。## 引言大约三分之一的供人类食用的食物在生产、分配和消费链中损失或被浪费，导致大量资源损失和环境影响，包括温室气体排放、渗滤液产生和土地占用（Gatto和Chepeliev，2024，Xue等，2021）。因此，将食物垃圾（FW）从处置负担转化为可再生资源流已成为可持续废物管理的关键策略（Wang等，2025a）。在食物垃圾的多种成分中，富硫蔬菜占据着重要比例。十字花科蔬菜和蒜是两种代表性的富硫蔬菜类型。2024年，全球白菜和蒜的产量分别约为75.5和29.7百万吨（FAOSTAT，2026），而在采收、加工和消费过程中产生的废弃物和副产品分别约占产量的30%–50%和25%–30%（Dos Santos等，2022，Mago等，2022）。在各种增值途径中，厌氧消化（AD）被广泛认为是一种有效的选择，因为它可以将食物垃圾中的可生物降解有机部分转化为富含甲烷的沼气，同时实现废物减量和资源回收（Amha等，2017，Du等，2021，He等，2025）。然而，由于食物垃圾固有的异质性以及成分上显著的空间和时间变异性，其高效增值仍然面临挑战（Hu等，2025）。食物垃圾的成分可能影响厌氧消化系统中的关键生化转化过程，从而影响过程稳定性和能源回收效率（Xue等，2020，Zhang等，2023c）。例如，富含蛋白质的底物可能促进氨积累并抑制产甲烷作用（Liu等，2021），富含脂质的组分通常具有较高的甲烷潜力，但在过量负荷下可能产生具有抑制作用的长链脂肪酸（Ebner等，2016），木质纤维组分通常与较慢的水解和较低的可生物降解性相关（Fonoll等，2021）。以往的研究报道了富硫蔬菜废弃物及其代表性含硫植物化学物质对厌氧消化性能的不同影响。富硫蔬菜废弃物，包括白菜、卷心菜、菜籽饼和蒜，使污水污泥（WAS）基系统中的甲烷产量提高了7.3%–35.3%，并伴随着硫酸盐还原和氢营养产甲烷作用的增强（Zhang等，2023b）。相反，代表性含硫植物化学物质则被证明会抑制厌氧消化性能。烯丙基异硫氰酸酯（AITC）是十字花科蔬菜中硫代葡萄糖苷的水解产物，据报道会抑制污水污泥基共消化系统中的甲烷产生，并抑制水解、产酸和产甲烷活性（Qin等，2022）。类似地，蒜素（蒜源硫代亚磺酸酯的代表）被发现会抑制食物垃圾与污水污泥厌氧共消化过程中的甲烷产生及相关微生物和酶活性（Tao等，2020）。因此，富硫蔬菜投入对厌氧消化性能的影响仍然难以预测。鉴于富硫蔬菜废弃物持续进入食物垃圾流，了解这些成分如何影响食物垃圾厌氧消化对于提高过程稳定性和资源回收至关重要。然而，目前的研究证据主要来自污水污泥基共消化系统，这些成分在食物垃圾厌氧消化中的影响尚缺乏了解。硫在厌氧消化过程中起着至关重要的作用（Qiao等，2026）。以往的研究表明，硫酸盐还原菌可与产甲烷菌竞争共同底物，而硫化物积累可能抑制微生物活性和甲烷产生（Li等，2022a，Wang等，2024）。除了直接的底物竞争和硫化物毒性之外，与硫化物相关的氧化还原过程甚至可能在厌氧系统中促成活性氧（ROS）的形成（Du等，2024，Kim等，2025，Zhao等，2021）。越来越多的证据表明，ROS可以影响厌氧消化过程中的产甲烷作用和微生物响应（Wang等，2025b，Wu等，2021）。然而，接受不同富硫蔬菜基底的厌氧消化系统是否表现出不同的硫化物积累和ROS水平时间模式，以及这些模式与不同的甲烷产生响应之间的关系，仍然缺乏了解。在氧化还原扰动下，微生物的适应和存活不仅取决于减轻氧化损伤的能力，还取决于维持代谢稳态的能力。纯培养研究表明，Methanosarcina属具有多种氧化应激防御系统（Horne和Lessner，2013，Jasso-Chávez等，2015）。最近，基因组分辨证据显示，复杂厌氧系统中的Methanosarcina群体具有多种ROS防御机制的基因组潜力（Feng等，2023）。然而，在氧化还原扰动下，这种基因组编码的防御潜力是否赋予Methanosarcina选择优势并从而促进其在后续群落重建中的富集，仍然缺乏了解。能量保存是维持厌氧微生物代谢活性的基本要素。以往的研究表明，除了底物水平磷酸化和与产甲烷相关的电子传递过程之外，Rnf复合体通过将从还原态铁氧还蛋白到NAD⁺的电子传递与跨膜Na⁺或H⁺运输偶联起来，从而以电化学离子梯度的形式保存能量，是厌氧微生物中重要的膜结合能量转换系统（Buckel和Thauer，2018，Hess等，2013，Kuhns等，2020）。来自模型厌氧微生物的现有证据表明，Rnf可以重新氧化还原态铁氧还蛋白，从而再生氧化态铁氧还蛋白，以维持丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶（PFOR）的活性（Biegel和Müller，2010，Kuhns等，2020）。PFOR在厌氧消化中的碳代谢中起着关键作用，它催化丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA和CO₂（Furdui和Ragsdale，2000，Wang等，2022）。然而，在复杂厌氧消化群落中，这种Rnf–PFOR功能联系的重要生态意义，特别是在氧化还原扰动下其对维持微生物代谢和特定微生物群体选择性富集的潜在贡献，仍然不清楚。因此，本研究选择蒜、白菜和卷心菜作为代表性富硫蔬菜，系统评估它们在食物垃圾厌氧消化中的作用。具体而言，本研究的目的是：(1) 量化它们对消化性能和稳定性的影响；(2) 评估它们诱导ROS形成的潜力；(3) 阐明相关的微生物响应和代谢变化。这些发现有望推进对食物垃圾厌氧消化中富硫底物的机理理解，并为优化进料管理和过程控制提供指导。## 章节摘要### 底物和接种物本研究所用的食物垃圾是在实验室中根据典型的中国膳食模式制备的，由米饭、鸡蛋、猪肉、胡萝卜和黄瓜按湿重比50:15:20:10:5组成（Bong等，2018）。将食物垃圾成分煮熟、切碎并混合以获得均匀底物。新鲜蒜、白菜和卷心菜购自中国南京当地市场，未煮熟直接切碎。制备好的食物垃圾和蔬菜分别于4 °C保存至使用。### 富硫蔬菜对食物垃圾AD性能的影响在前3天内，CK和GAR组的日甲烷产量显著高于CHC和CAB组（图1a）。从第4天到第14天，所有组的日甲烷产量均保持在低水平，仅有小幅波动，但CHC和CAB组的数值显著低于CK和GAR组。值得注意的是，从第14天到第23天，所有组的日甲烷产量急剧上升；然而，直到第23天，CAB组的日甲烷产量仍低于其他组。在第23天，CHC和CAB组的日甲烷产量……### 饲料特异性AD响应与硫化物相关的氧化还原扰动相关这三种富硫蔬菜在食物垃圾厌氧消化中产生了明显不同的响应。与CK相比，白菜和卷心菜增强了后期日甲烷产量并提高了最大甲烷产生速率，尽管延长了滞后阶段并降低了累计甲烷产量。然而，蒜与CK相比未产生可检测的甲烷产生变化（图1a，b）。AD性能受饲料成分、有机负荷、接种物和运行……### 结论本研究揭示，富硫蔬菜对食物垃圾厌氧消化并不产生一致的影响。尽管所有处理均接受相同的VS负荷，白菜和卷心菜引发了独特的双相甲烷响应，即甲烷积累延迟和累计甲烷产量降低之后，后期甲烷产量增强；而蒜则未显示显著影响。这一行为与硫化物相关的ROS升高密切相关，这可能促成了……### CRediT作者贡献声明**Zihao Gao：** 写作 – 原稿撰写，可视化，方法学，调查研究，形式化分析，数据整理，概念化。**Haoru Hou：** 写作 – 审阅与编辑。**Lin Xiao：** 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取。### 利益冲突声明作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本论文所报告的工作。### 致谢本工作得到了**中国国家重点研发计划**（项目编号：2023YFC3905601）的支持。Zihao Gao | Haoru Hou | Lin Xiao