通过光发酵生物制氢与厌氧生物甲烷生产阶段的创新耦合提升整体能量转化

《Bioresource Technology》：Enhancing overall energy conversion through innovative coupling of photo-fermentation biohydrogen and anaerobic biomethane stages

　　# 摘要要点- 连接时间影响了生物氢和生物甲烷的联产。- 生物氢和生物甲烷联产显著提高了能量转换效率（ECE）。- 在连接时间为60小时时，观察到最高的能量转换效率为53.49%。- 在生物氢和生物甲烷联产过程中，微生物群落组成发生了明显变化。# 引言传统化石能源的不断减少，以及其开采和使用过程中不可避免的环境污染问题（Chandra等人，2026），促使人们寻求替代能源。利用可持续技术高效调控生物质能回收将为废物管理和能源生产带来益处（Lee等人，2024）。目前，光发酵生物质生产生物氢被认为是一种有前景的生物炼制方法（Jung等人，2025）。光发酵细菌能够在氢化酶和氮酶的作用下，将有机质分解为挥发性脂肪酸（VFA，如乙酸、丙酸、丁酸等），并产生生物氢（Chandran和Mohan，2023；Zhang等人，2022b）。根据化学方程式C?H??O? + 6H?O → 6CO? + 12H?，1摩尔葡萄糖可产生12摩尔H?，实现122%的能量转换效率（Nirmala等人，2023；Zagrodnik和Laniecki，2015）。然而，在光发酵生物制氢结束时，尾液中残留大量有机质，因为细菌在代谢过程中无法充分利用这些有机质（Paudel等人，2017；Putatunda等人，2023），导致能量转换效率低下。这也成为光发酵生物制氢开发和应用过程中不可避免的挑战。进一步提高能量转换效率无疑将推动光发酵生物制氢更接近商业化。将厌氧消化过程与光发酵生物制氢过程联用已被证明是提高能量转换效率的有前景策略，因为两阶段发酵联用可从一定量的生物质中提取更多能量（以甲烷形式呈现）（Liu等人，2021；Schievano等人，2014）。此外，生物甲烷作为车用燃料的广泛使用，使光发酵生物制氢与厌氧消化联产的产品（混合生物氢和生物甲烷）成为一种具有市场化和利用价值的燃料。此外，其良好的商业属性、低成本、环保和可持续性使其能够获得潜在的市场地位，并具有良好的发展前景（Abdur Rawoof等人，2021）。在过去十年中，各种将制氢与厌氧消化相结合的两阶段配置已被开发出来，以增强从有机废物中回收能源的能力。两阶段厌氧消化（TSAD）将产酸阶段和产甲烷阶段分开，已证明可通过为不同微生物群落提供优化条件，产生更高的总能量回收率——通常是单阶段过程的1.5–2.7倍（Angelidaki等人，2018；Simeonov等人，2025）。在这些配置中，暗发酵后接厌氧消化（DF–AD）是研究最广泛的，已有大量报道证明其可从各种有机原料中改善能量回收。最近，暗发酵与光发酵的整合（DF–PF）也被探索，以利用发酵代谢和光异养代谢的互补性来最大化氢产量（Sharma等人，2026）。然而，关于光发酵与厌氧消化直接耦合（PF–AD）——即在中间没有暗发酵阶段的情况下——的研究仍然相对稀少。少数最近的研究探索了利用两阶段厌氧消化中富含VFA的发酵液作为紫色非硫细菌的培养基，以及在生物hythane生产的背景下概念性地讨论了PF–AD的整合（Zheng和Li，2024）。然而，关于控制光发酵阶段和厌氧消化阶段之间转换的操作参数——特别是阶段连接时间——的系统研究尚未见报道。在生物氢和生物甲烷联产过程中，第一阶段主要是底物降解的初始水解阶段，产氢菌的代谢产生生物氢和丰富的有机酸。随后，在第二阶段，产甲烷古菌代谢这些有机酸产生沼气。厌氧消化由四个阶段组成：水解、酸化、产乙酸和产甲烷。这些过程由复杂的细菌和古菌群落协同完成（Roy和Das，2016；Xia等人，2016）。生物制氢可视为生物甲烷发酵（VFA和氢气形成）的前导过程。然而，不同之处在于，在厌氧消化的产甲烷阶段，产乙酸甲烷菌将乙酸分解产生甲烷和二氧化碳（Wainaina等人，2019），而产氢甲烷菌将生物氢和二氧化碳还原为生物甲烷（Nathao等人，2013）。然而，光发酵生物制氢尾液的组成复杂，pH值、氧化还原电位（ORP）以及溶液中的抑制剂如糠醛等也会影响后续产甲烷菌的生长和代谢。特别是在同步糖化和发酵生物制氢过程中，细菌消耗的糖和通过生物质底物水解产生的糖同时发生。在不同发酵时间节点，细菌数量、有机质消化程度、中间产物数量和氢气产量均有所不同。因此，有必要研究制氢和甲烷发酵两阶段连接时间对生物甲烷组成和产量的影响。虽然以前的两阶段H?–CH?系统主要关注暗发酵流出物作为产甲烷的原料，或完全制氢后固定顺序转移，但对木质纤维素底物光发酵过程中动态连接时间的关注有限。为解决这一问题，本研究以玉米秸秆为底物，在光发酵生物制氢过程中的不同时间点连接厌氧消化。研究了两阶段的最佳操作窗口，并评估了连接时间对气体和液体成分特性的影响。此外，在高性能生物甲烷的前提下，检验了生物氢和生物甲烷联产的能量转换效率的提升。这些发现为优化集成生物能源生产系统以改善可持续性和资源利用提供了见解，清楚地区分了本工作与基于暗发酵或固定转移方案的以往研究的不同。# 各章节片段## 微生物和材料光发酵生物制氢细菌HAU-M1由河南农业大学提供（Lu等人，2016）。活性污泥采集自中国郑州毛庄污水处理厂（Song等人，2026）。为了维持微生物活性并去除剩余的可生物降解有机质，活性污泥被放置在35°C培养箱中，直到实验前不再产生气体。污泥的总固体（TS）含量为27.36 g/L，挥发性固体……## 氢气和甲烷联产的气体分析每组添加活性污泥的间隔时间为12小时，前72小时内氢气生产的气体特性如图1的（a）–（d）面板所示。在光发酵生物制氢的前12小时内，主要发生光合细菌的生长和繁殖，伴随产生小分子酸。此时仅产生少量氢气，称为产氢延迟期（Sun等人，2024）。## 结论本研究证明，光发酵与厌氧消化之间的连接时间关键性地决定了两阶段系统的整体能量转换效率。在测试的连接时间（12–72小时）中，60小时产生了最高的能量转换效率（53.49%）——约为单独光发酵（3.72%）的14倍——在48–72小时窗口内观察到相对稳定的性能。从机制上看，在约60小时连接允许充分积累……## CRediT作者贡献声明**Chaoyang Lu：** 撰写初稿、方法论、研究经费获取。**Changkun Song：** 撰写初稿。**Peng Sun：** 调查研究。**Guangtao Wang：** 撰写初稿、软件、数据管理。**Heng Wang：** 可视化。**Quanguo Zhang：** 概念化。**Xiaoyu Liang：** 资源、方法论。**Tian Zhang：** 资源。**Yanyan Jing：** 监督。**Danping Jiang：** 撰写—审阅与编辑、验证。## 利益冲突声明作者声明他们没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报道的工作。## 致谢感谢国家自然科学基金委员会（52306238，52506229）、中国河南省高校青年骨干教师培养计划（2025GGJS024）、中国河南省自然科学基金青年项目（B类）（262300421085）、中国博士后科学基金（2024T170240）和中国河南省自然科学基金（242300420332）。Chaoyang Lu | Changkun Song | Peng Sun | Guangtao Wang | Heng Wang | Quanguo Zhang | Xiaoyu Liang | Tian Zhang | Yanyan Jing | Danping Jiang