解析碱性预处理结合膨润土添加处理对厨余垃圾厌氧消化过程中“细胞外水解-膜转运-细胞内代谢”这一系列碳水化合物转化途径的作用

《Journal of Contaminant Hydrology》：Deciphering the roles of alkaline pretreatment combined with bentonite addition treatment on “extracellular hydrolysis - membrane transport - intracellular metabolism” of carbohydrate in anaerobic digestion of kitchen waste

　　厨余垃圾高固体厌氧消化通过碱性预处理结合蒙脱土添加（AP/Be）显著提升产气率及稳定性，当有机负荷率达4.04 g VS/L·d时AP/Be组产气率较对照组提高162.12%。机制分析表明AP/Be促进功能微生物（Chloroflexi、Thermotogae等）富集，并上调糖类及磷酸盐相关转运酶基因丰度，增强底物利用与甲烷生成。

　　

胡玉英|魏群|傅宁鑫|王欣|王晓凡|刘苏苏

中国华东交通大学土木工程与建筑学院，江西省环境污染控制重点实验室，南昌330013

摘要

高固体厌氧消化（HSAD）在从厨余垃圾（KW）中提取能量方面显示出巨大潜力，但在实际工程应用中常常因酸化而失败。水解速率低是HSAD失败的重要原因。本研究通过碱性预处理结合膨润土添加（AP/Be）处理，提高了不同有机负荷率（OLR）下厨余垃圾的HSAD系统性能。研究结果表明，当OLR从3.11 g VS/L·d增加到4.04 g VS/L·d时，AP/Be组的甲烷产率比对照组提高了162.12%。从机制上讲，AP/Be处理丰富了包括Chloroflexi、Thermotogae以及产氢甲烷菌（Methanolinea和Methanoculleus）在内的功能性微生物。此外，AP/Be处理还上调了某些膜转运酶（如糖类和磷酸盐转运酶）以及与细胞内碳水化合物代谢和甲烷生成相关的酶的基因表达，从而促进了底物利用和甲烷生成。本研究揭示了AP/Be处理对HSAD系统的促进机制，并为厨余垃圾减量和甲烷生产提供了理论支持。

引言

据估计，到2025年全球厨余垃圾（KW）产量将达到22亿吨（Li等人，2023a）。厨余垃圾具有高水分含量和丰富的有机物（主要为碳水化合物、脂质、蛋白质等），这使其具有显著的生物能源转化潜力（Arvelli等人，2025）。高固体厌氧消化（HSAD）不仅能够回收生物质能量，还能处理厨余垃圾。在实际应用中，HSAD具有反应器体积小、能耗低和产生次生污染物少的优点。然而，在高固体含量下，由于挥发性脂肪酸（VFAs）的积累，HSAD的运行容易不稳定（Chen等人，2023）。

厨余垃圾富含有机物，主要包括碳水化合物、蛋白质、脂肪等。其中，碳水化合物占比较高，是微生物的重要营养来源（Yadav等人，2023）。碳水化合物不仅作为ATP的来源，还参与生物合成代谢。例如，碳水化合物代谢过程中产生的中间产物，如通过戊糖磷酸途径合成的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）和糖酵解过程中产生的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），是参与氧化还原反应的辅酶（Li等人，2023b）。碳水化合物还可以通过化学键与蛋白质或脂质结合形成糖缀合物（糖蛋白和糖脂），这些是细胞膜的重要组成部分（Chandel，2021）。微生物依靠腺苷三磷酸（ATP）结合盒转运蛋白（ABC转运蛋白）和腺苷三磷酸酶（ATP酶）的协同作用来跨膜运输物质（Chen等人，2025）。运输过程包括营养物质的吸收、代谢废物的排出和细胞信号的传递（Zhu等人，2024）。

碱性预处理被广泛认为是加速厌氧消化（AD）系统中有机物降解速率的有效策略（Ding等人，2025；Wang等人，2024）。有研究表明，3% NaOH的预处理可将厨余垃圾AD系统中的脂质降解率提高至50.51%（Zhen等人，2023）。膨润土是一种廉价的添加剂，其独特的层状结构和内部孔隙使其能够吸收中间代谢产物（如VFAs和氨氮）。因此，添加膨润土可以减轻高固体含量下的抑制作用，并增强AD反应器的稳定性（Hu等人，2023c）。在我们之前的研究中，首次研究了碱性预处理结合膨润土添加（AP/Be）处理对厨余垃圾AD系统的影响（Hu等人，2023b）。当使用3.0% CaO进行碱性预处理并添加0.6 g/g VS的膨润土时，AD反应器的甲烷产率提高了236.0%。然而，现有研究仅限于批次实验，长期运行效率和稳定性尚未得到验证。此外，之前的研究仅通过16s rRNA分析揭示了AP/Be处理下HSAD系统的基本微生物结构，而从宏基因组学角度探讨HSAD系统的代谢途径变化仍是一个未知领域。鉴于碳水化合物是厨余垃圾中的主要能量底物，本研究特别关注了糖类的细胞外分解、跨膜转运和细胞内代谢过程。

本研究采用宏基因组测序技术来揭示AP/Be处理的效果机制。长期运行性能测试与深入的宏基因组功能分析相结合，为AP/Be处理增强HSAD系统的机制提供了直接证据。本研究旨在：（1）揭示不同有机负荷率（OLRs）下AP/Be处理对HSAD系统的长期性能影响；（2）探讨AP/Be处理下HSAD系统中细胞外水解、细胞膜碳水化合物转运和细胞内碳水化合物代谢的微生物机制；（3）揭示AP/Be处理下HSAD系统中与甲烷生成相关酶的基因表达变化。

实验设置

底物和接种物

接种物来自牲畜粪便的AD反应器，厨余垃圾则取自华东交通大学食堂。去除原始厨余垃圾中的杂质后，使用搅拌机将其粉碎并置于-18°C下冷藏。底物和接种物的特性参数列于表1中。

实验装置

半连续AD反应器由我们的研究团队设计，并由商业工厂制造。该反应器采用有机玻璃材料制成

AD系统性能

AP/Be组和C组的性能如图2所示。在第一阶段的前15天内，AP/Be组的平均甲烷产率为约180 mL/g VS，与C组相当（图2a）。当OLR从3.11 g VS/L·d增加到4.04 g VS/L·d（第二阶段）时，C组和AP/Be组的平均甲烷产率分别达到220 mL/g VS和590 mL/g VS。在此阶段，AP/Be组的甲烷产率比C组提高了162.12%。

结论

本研究证明，AP/Be处理显著提高了AD系统的甲烷产率和稳定性。AP/Be处理通过富集Chloroflexi和Thermotogae改变了微生物群落，并增强了细胞外水解作用。观察到与糖类和磷酸盐相关的膜转运酶的基因表达增加。此外，细胞内碳水化合物代谢相关的酶也得到了增强，进一步促进了底物的利用。

CRediT作者贡献声明

胡玉英：撰写 – 审稿与编辑、方法学、概念构建。魏群：可视化、资源获取、方法学、实验设计。傅宁鑫：方法学、实验设计。王欣：撰写 – 审稿与编辑、监督。王晓凡：撰写 – 审稿与编辑。刘苏苏：可视化、数据验证、统计分析。

未引用参考文献

Hu等人，2024

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了江西省重点学科学术和技术带头人培训计划（20243 51137BCE）、江西省环境污染控制重点实验室开放研究基金（HJWRFZ-Z-2024-08）以及国家自然科学基金（52360017）的支持。