《Biomass and Bioenergy》：Impact of pH and organic loading rate on carboxylate production and microbial communities during semi-continuous anaerobic fermentation of macroalgae
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大型海藻丰度的指数级增长（由富营养化和气候变化驱动的温度升高所致）对底栖生物构成显著威胁，并引发沿海缺氧现象。厌氧发酵可将大型海藻转化为有价值的羧酸盐（carboxylates）。本研究采用半连续搅拌釜反应器（semi-continuous st
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大型海藻丰度的指数级增长（由富营养化和气候变化驱动的温度升高所致）对底栖生物构成显著威胁，并引发沿海缺氧现象。厌氧发酵可将大型海藻转化为有价值的羧酸盐（carboxylates）。本研究采用半连续搅拌釜反应器（semi-continuous stirred-tank reactors，SSTRs），以石英浒苔（Ulva lactuca）为底物，在pH 6.0和pH 7.5两种条件下，分别考察了有机负荷率（organic loading rate，OLR）为1.5 g VS·L?1·d?1和3 g VS·L?1·d?1时对短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA，C?–C?）产量及微生物群落结构的影响。研究结果表明：在pH 6.0条件下，高OLR降低了酸化效率，但产生了包括庚酸（C?）在内的多样化SCFA谱；而在pH 7.5条件下，OLR对酸化效率和SCFA组成无显著影响。微生物群落分析显示，pH对微生物种群的影响大于OLR。本研究为大型海藻在连续运行模式下实现羧酸盐定向生物转化提供了工艺参数优化依据和微生物生态学支撑。
论文解读文章
一、研究背景与问题提出
近年来，大型海藻（macroalgae）在全球沿海区域的暴发性增殖已成为一个严峻的生态问题。富营养化与气候变化导致的海水温度升高，促使大型海藻生物量急剧扩张，对底栖生物造成威胁，并引发沿海水体缺氧现象。卫星遥感数据显示，2003至2020年间，在接受调查的153个沿海国家中有126个出现了藻华（algal bloom）现象，全球藻华空间范围增加约13.2%，发生频率增加约59.2%。大型海藻的过度增殖对渔业和贝类养殖场造成了显著的负面影响。
尽管大型海藻的泛滥具有生态危害性，但其巨大的生物量也为可持续生产生物燃料和化学品提供了重要潜力。厌氧消化（anaerobic digestion，AD）是将有机废弃物转化为生物甲烷的成熟技术，包含水解、酸化、产乙酸和产甲烷四个阶段。然而，近年研究表明，石英浒苔（Ulva lactuca）通过厌氧发酵生产短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA，C?–C?）的效率优于通过AD生产生物甲烷的效率。SCFA比生物甲烷具有更高的经济价值，可进一步转化为高附加值化学品和生物燃料，如生物塑料或生物柴油。
目前，利用大型海藻进行SCFA生产的研究仍十分有限，仅有少数研究在批式（batch）模式下考察了Ulva sp.的SCFA产量。在诸多影响SCFA生产的参数中，pH通过调节产酸菌与产甲烷菌之间的竞争发挥关键作用。多数大型海藻研究在pH 6.5–7.0范围内进行，仅有一项研究考察了pH 7.5条件下的SCFA生产。将pH降至6.5以下是抑制产甲烷作用并提高SCFA产量的常用策略，但过量的SCFA积累可能导致自我抑制。此外，pH扰动已被证明会显著改变微生物群落结构，酸性和碱性条件下的微生物群落组成存在显著差异。
有机负荷率（organic loading rate，OLR）是影响SCFA生产的另一关键因素。适度提高OLR通常可增强SCFA产量，但过高的OLR会对产酸微生物产生负面影响。产酸发酵推荐的OLR范围为1.2–12 g VS/(L·d)，但最佳OLR取决于底物组成、温度和水力停留时间（hydraulic retention time，HRT）。以往利用大型海藻进行厌氧发酵的研究主要采用补料分批（fed-batch）模式或批式模式，目前关于大型海藻连续运行模式下SCFA生产的研究尚属空白，而这对于在工业规模上验证和优化该资源化策略至关重要。
因此，本研究旨在评估半连续厌氧发酵过程中pH和OLR对大型海藻SCFA产量及微生物群落结构的影响。
二、研究开展与主要结论
研究人员采用四个2 L玻璃瓶作为半连续搅拌釜反应器（semi-continuous stirred-tank reactors，SSTRs），工作体积为1.5 L，在100 rpm搅拌和37 °C条件下运行。两个反应器在pH 7.5下运行，另两个在pH 6.0下运行。实验启动前两天，将接种物（28.5 ± 0.0 g VS·L?1）在37 °C下驯化，并添加产甲烷抑制剂2-溴乙烷磺酸盐（2-bromoethanesulfonate），浓度为0.5 g/g VSinoculum?1。反应器运行66天，HRT为10天。研究考察了两个OLR水平：1.5 g VS·L?1·d?1（第0至41天）和3 g VS·L?1·d?1（第42至66天）。反应器每周一至周五每日进料，每周两次监测pH、化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）、脂肪酸浓度、固体含量、沼气组成及中间化合物浓度。微生物分析样品在每个HRT周期采集两次。
研究得出以下主要结论：在pH 6.0条件下，高OLR降低了酸化效率，但产生了包括庚酸（C?）在内的多样化SCFA谱；在pH 7.5条件下，OLR对酸化效率和SCFA组成无显著影响；微生物群落受pH的影响大于OLR。
三、主要关键技术方法
本研究采用半连续搅拌釜反应器系统，在pH 6.0和pH 7.5两个水平下运行，考察两个OLR水平（1.5和3 g VS·L?1·d?1），HRT为10天。大型海藻样品于2023年6月采自西班牙加利西亚伊利亚德阿罗萨海岸（Illa de Arousa，坐标42.564480，?8.866209），为石英浒苔（Ulva lactuca）；厌氧接种物取自附近污水处理厂的污泥消化器（坐标42.197185，?8.773736）。反应器性能通过监测pH、COD、脂肪酸浓度、固体含量、沼气组成和中间化合物浓度进行评估，水解率和酸化率分别通过公式计算。微生物群落分析样品在每个HRT周期采集两次。
四、研究结果
pH和OLR对水解和酸化的影响
在pH 7.5条件下，OLR从1.5提高到3 g VS·L?1·d?1对水解率和酸化率均无显著影响。在pH 6.0条件下，高OLR导致酸化率显著下降，表明高负荷对产酸微生物产生了抑制作用。水解率在不同pH条件下均保持较高水平，但酸化效率在pH 6.0高OLR条件下明显降低。
SCFA产量和组成
在pH 7.5条件下，SCFA产量和组成在两个OLR水平下保持稳定。在pH 6.0条件下，低OLR时SCFA产量较高，但高OLR时产量下降；然而，高OLR条件下SCFA谱更为多样化，检测到了包括庚酸（C?）在内的更长链脂肪酸。这表明pH 6.0高OLR条件下，微生物代谢途径发生了改变，产生了更广泛的羧酸盐产物。
微生物群落结构
微生物群落分析显示，pH对微生物种群结构的影响远大于OLR。pH 7.5条件下，微生物群落以特定的产酸菌为主，群落组成相对稳定；pH 6.0条件下，微生物群落组成发生显著变化，且高OLR进一步改变了优势菌群的相对丰度。不同pH条件下优势菌属的差异明显，反映了pH对微生物生态选择的决定性作用。
五、讨论与结论
讨论部分指出，pH是调控大型海藻厌氧发酵过程中SCFA产量和组成的主导因素，其影响程度大于OLR。pH 7.5条件下系统对OLR变化具有较好的耐受性，工艺稳定性较高；而pH 6.0条件下高OLR虽然降低了酸化效率，但拓宽了产物谱，产生了包括庚酸在内的多样化SCFA，这为定向生产特定链长羧酸盐提供了可能。微生物群落结构的变化与SCFA产量和组成的变化相一致，表明工艺参数通过塑造微生物群落间接决定了产物分布。
研究结论为：在半连续厌氧发酵模式下，pH 7.5配合较高OLR可实现稳定且高效的SCFA生产；pH 6.0高OLR条件虽降低酸化效率，但可产生包括庚酸在内的多样化SCFA谱，具有潜在的产物多样性优势。微生物群落受pH影响显著大于OLR。本研究填补了大型海藻连续运行模式下SCFA生产研究的空白，为大型海藻生物炼制（biorefinery）的工业化应用提供了工艺参数依据和微生物生态学基础。
