《Biomass and Bioenergy》：Anaerobic digestion of acidic waste mash via light-assisted & hemin-acclimated inoculum: A case study of cassava alcohol stillage
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利用光和血紅素協同作用提升木薯酒精廢液厭氧消化效率，5g/L血紅素與光預處理協同可使甲烷產量提升>120%，有機碳降解率提高20.94%，酸化滯后期縮短80%，消化周期由28天縮短至14-16天。
楊旺|董國|紀俊林|羅志漢|朱志成|侯瑞瑞|吳凱|楊紅|姜金和|尹芳
云南師范大學能源與環境科學學院，昆明，650500，中國
摘要
木薯酒精蒸餾殘渣是生物乙醇生產過程中產生的高濃度有機廢水。其高有機負荷以及在厭氧消化（AD）過程中易積累揮發性脂肪酸的特性會顯著抑制其降解效率。本研究引入了在光照條件下馴化的卟啉介導的接種物，以探討光合菌群與產甲烷菌群在厭氧消化中的協同作用。初步實驗中，使用不同濃度的血紅素（2.5–7.5 g/L）對厭氧消化系統進行補充，以木薯酒精蒸餾殘渣為底物。結果表明，甲烷（CH4）產量提高了4.66%至17.49%。在添加5 g/L血紅素并使用馴化接種物的條件下，甲烷產量增加了120%以上，總有機碳降解率提高了20.94%，酸化滯后階段縮短了80%，消化周期從28天減少到14–16天。經過四個月的培養后，在血紅素存在下引入光照馴化的接種物，發酵結束時產甲烷菌群得到顯著富集。核心產甲烷古菌門Methanobacteriota的相對豐度在2.5 g/L、5 g/L和7.5 g/L處理組中分別達到了5.92%、10.12%和4.11%，超過了對照組的2.69%。此外，持久性微生物類群的比例從69.57%增加到約82%，表明通過光照和血紅素的共同作用，負責厭氧消化的核心微生物組得到了選擇性富集和穩定。研究結果證實，光照和血紅素的預處理能有效提升木薯酒精蒸餾殘渣的厭氧消化效率。
引言
木薯是全球三大塊莖作物之一，在熱帶地區廣泛種植。東南亞憑借有利的氣候條件成為重要的木薯生產區，占全球產量的約23.54%[1]。隨著木薯加工產業的快速發展，尤其是生物乙醇和混合酒精生產的擴張[2,3]，產生了大量高有機負荷的酒精蒸餾殘渣。傳統上這類殘渣被視為環境污染源[4,5]，但實際上含有豐富的有機物質，具有顯著的資源回收潛力[6]。近年來，包括新加坡和泰國在內的東南亞國家相繼實施了碳稅政策來調控碳排放[7]，從而加速了綠色發展的進程。厭氧消化（AD）不僅有助于實現中國的“碳達峰”和“碳中和”目標[8]，還加強了“一帶一路”倡議框架內可再生能源利用的共同努力。
厭氧消化在自然碳循環中起著關鍵作用[9]。在復雜的生化過程中，多種微生物種群協同作用，促進復雜有機物的分解。厭氧消化系統被廣泛用于有機廢水處理[10]。多種因素影響系統的運行效率，其中底物特性尤為重要[11]。在酒精發酵過程中，酵母主要將淀粉轉化為糖類，產生乙醇和二氧化碳。然而，廢料中仍含有大量的復雜有機化合物，如纖維素、半纖維素、木質素、殘留糖和有機酸，這些物質因揮發性脂肪酸（VFA）的積累而難以被有效降解[12]。同時，發酵過程中有機酸的積累會降低酒精蒸餾殘渣的pH值，形成不利于厭氧消化系統穩定運行的酸性環境。
近期研究揭示了光照照射和光合細菌在提升厭氧消化性能中的協同作用。Saejung等人證明特定波長的光照可以調節微生物群落結構，從而顯著提高厭氧消化效率[13]。Liu等人采用氮摻雜的碳量子點，在光照條件下使甲烷產量提高了89.8–96.5%[14]。為了緩解底物產生的酸積累帶來的不利影響，本研究將Rhodopseudomonas（一種典型的紫色非硫光合細菌）引入厭氧消化系統[15]。該策略旨在通過優化微生物群落、促進代謝活動和促進種間電子傳遞來提升厭氧消化性能[16,17]。光合細菌廣泛存在于靜止的水生環境、飽和水土壤、沉積物和厭氧消化系統中[18]。紫色非硫細菌在厭氧條件下可以利用多種碳源進行自養或異養代謝[19]。作為典型的紫色非硫光合細菌Rhodopseudomonas可以促進乙酸的降解并減少酸的積累[15]。進一步的研究表明，PNSB在提升生物過程效率方面具有積極作用。Hülsen等人研究了PNSB生物質在“分離-釋放-回收”概念下的厭氧消化情況，發現中溫條件下可實現約55%的揮發性固體降解（VSD）和35%的氮溶解，甲烷產量為330 mL CH4 g VS?1[21]。Wada等人研究了在氮缺乏條件下使用PNSB（主要為Rhodopseudomonas）處理燃料合成過程廢水，結果顯示PNSB可去除超過70%的總有機碳（TOC）[22]。Zheng等人發現表達Fe-only氮酶的Rhodopseudomonas palustris能夠同時將CO2轉化為甲烷（CH4）并固定氮氣，產生的甲烷足以支持共培養中的產甲烷細菌生長[23]。這一發現揭示了光合細菌通過生物途徑生產甲烷的新途徑，突顯了Rhodopseudomonas在甲烷循環中的代謝多樣性。
此外，先前的研究還表明，外源添加Rhodopseudomonas可以在光照和黑暗條件下均增加沼氣產量。同時觀察到光照強度與沼氣產量之間存在正相關關系；光照能夠改善優勢產甲烷菌群的結構，有效緩解VFA引起的抑制作用[15]。
為了全面評估光照輔助厭氧消化與傳統黑暗厭氧過程的降解效率，引入了卟啉大環化合物——這些具有獨特親光性質的分子結構能夠高效捕獲和傳遞光子。血紅素是一種天然存在的無毒鐵卟啉復合物[24]，是血紅蛋白、細胞色素及相關生物分子的輔基。其中心鐵離子的可逆氧化還原活性與卟啉環的π-共軛系統協同作用，使其成為有效的電子傳遞載體。研究表明血紅素可促進細胞內的電子傳遞[25]，從而提高厭氧消化系統中微生物的代謝效率[26]。此外，血紅素還被認為能通過電子傳遞過程實現更快的電子轉移和更高效的生物轉化[27]。因此，我們假設將光照引入厭氧消化系統可能促進光合細菌與血紅素之間的多重協同效應，進一步增強光合細菌在厭氧消化中的促進作用。
目前關于卟啉化合物在厭氧消化中應用的研究仍處于早期階段，尤其是在處理酸性有機廢水（如木薯酒精蒸餾殘渣）方面的研究較為有限。近期研究表明鐵卟啉復合物在污泥預處理中的潛力。Ruan等人使用鐵卟啉仿生酶預處理廢水活性污泥，實現了65.3%的SCOD/TCOD比和38.4%的VSS減少率[30]；Li等人發現鈉鐵葉綠素（一種鐵卟啉衍生物）與H2O2聯合預處理可顯著提高甲烷產量[31]。這些發現表明鐵卟啉化合物能有效提升厭氧消化性能，但其在酸性有機廢水（如木薯酒精蒸餾殘渣）中的應用尚未得到充分探索。
盡管先前的研究證明了鐵卟啉化合物在提升污泥水解和甲烷產量方面的潛力[30,31]，但其應用主要限于中性pH條件下的廢水活性污泥。鐵卟啉化合物在酸性有機廢水（如pH約為4.5的木薯酒精蒸餾殘渣）中的效果及其與光照的協同作用仍不明確。此外，血紅素在酸性條件下促進電子傳遞的作用也未得到系統研究。因此，本研究通過濃度梯度和接種物馴化實驗系統研究了木薯酒精蒸餾殘渣的厭氧消化效果，重點探討光照和血紅素在酸性條件下促進電子傳遞的協同機制。
此外，研究結果表明光照照射增強了卟啉化合物與光合細菌之間的協同作用。這些發現為高效有機廢物處理技術的發展提供了理論基礎和實踐指導。
材料與方法
本研究采用兩步實驗策略，第二步實驗基于第一步實驗的結果進行了優化和改進。在第一階段研究中，我們考察了不同血紅素劑量對厭氧消化的影響，隨后設計了第二階段實驗，研究光照-血紅素共同馴化的接種物與外加卟啉的協同效應。
底物和接種物特性
實驗所用木薯酒精蒸餾殘渣的總固體（TS）含量為15.72%，揮發性固體（VS）含量為92.46%，pH值為4.55。A組接種物的TS含量為4.54%，VS含量為53.62%，pH值為6.87；B組接種物的TS含量為4.35%，VS含量為53.62%，pH值為7.02。血紅素添加對甲烷（CH4）和揮發性脂肪酸（VFA）產量的影響
外加血紅素不僅縮短了反應滯后階段，還影響了厭氧消化系統中的產甲烷過程
α多樣性及短暫、間歇性和持久性物種分布模式的分析
Ace和Chao1值是基于豐度數據的物種豐富度估計指標，用于估算總體群落豐富度[52]；Shannon指數和Simpson指數則是綜合考慮物種豐富度和均勻度的多樣性指標[53]。較高的Shannon指數和較低的Simpson指數表示更高的群落多樣性和更均勻的物種分布。Sobs表示樣本中直接觀察到的操作分類單元（OTU）或物種的數量
光照和血紅素在提升厭氧消化中的協同機制
本研究證明，長期光照和血紅素共同馴化的接種物能夠協同緩解酸性底物厭氧消化過程中的酸抑制，從而提升消化效率。采用上述馴化策略并添加適量的外源血紅素（5 g/L）后，消化器性能顯著提升：甲烷產量增加了110%以上，總有機碳（TOC）降解率提高了20%以上
CRediT作者貢獻聲明
楊旺：撰寫——審稿與編輯，初稿撰寫。
董國：數據整理，概念構思。
紀俊林：實驗研究，數據分析。
羅志漢：數據分析，數據整理。
朱志成：軟件開發。
侯瑞瑞：資源獲取，概念構思。
吳凱：數據可視化。
楊紅：項目監督。
姜金和：項目管理，概念構思。
尹芳：撰寫——審稿與編輯，資金籌集。
資助
本研究得到了
云南省農村能源工程與云南沼氣工程技術研究中心的
省級重點實驗室的支持。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的可能影響本文研究的財務利益或個人關系。
