颜丙花教授小组在Chemical Engineering Journal发表重要成果：猪尿液诱导的NH⁴⁺/HCO₃⁻/VFAs三元缓冲体系与产甲烷功能菌群协同，破解稻秆高固厌氧消化酸抑制瓶颈

近日，我院颜丙花、刘超老师在环境领域著名学术期刊Chemical Engineering Journal（IF=13.4）上发表了题为“Pig urine-induced ternary buffering complex and microbial community for mitigating acid inhibition in high-solid anaerobic digestion of rice straw”的研究论文。该研究通过在秸秆高含固厌氧消化中构建一个由CO2- 3/HCO- 3、NH3/NH+ 4-N和挥发性脂肪酸组成的pH三元缓冲体系，并与功能微生物协同，以此缓解厌氧消化系统酸抑制并维持微生物细胞pH稳态，有效促进产甲烷。

图文摘要

酸抑制是高含固厌氧消化的主要挑战之一，常引发消化过程抑制甚至系统失稳。本研究表明，在稻秆高含固厌氧消化体系中加入猪尿液，成功地构建了一个pH三元缓冲体系，并通过非生物模拟实验证实了其在稳定厌氧反应pH方面起主导作用。该pH缓冲体系有效缓解了厌氧消化过程前期由于稻秆迅速水解导致的酸抑制，并且将体系pH稳定在产甲烷菌群的适宜范围（~7.0）；而没有缓冲系统的RS处理组pH迅速下降至~5.0，并且未能恢复正常，导致产甲烷受到严重抑制。

图1 ( a ) pH、( b ) TAN、( c ) TIC、( d ) VFAs组成；( e ) 环境影响因子相关性热图；( f ) 模拟三元缓冲体系的三元相图 (用第0、1、2、3、5、7、9天的TIC、TAN、VFAs的实际值拟合，方形黑点为模拟值，粉色三角形点为标准化拟合值)。**: p < 0.01，*: p < 0.05。

在pH三元缓冲体系的作用下，RS+PU处理组保持高效稳定的产甲烷性能，其累计甲烷产量为342.66 mL·gVSremoval−1，是对照RS处理组的29倍。RS+PU处理的挥发性有机物（VS）去除率高达59.39%，而RS处理组的VS去除率仅为31.33%。因此，pH三元缓冲系统显著提高了稻秆的降解率和甲烷转化当量。

图2 ( a ) 累计产甲烷量、( b ) 每日产甲烷量和 ( c ) 每日CODcr的变化曲线； ( d ) 挥发性固体 ( VS ) 和总固体 ( TS ) 去除率。

结合关键代谢路径分析及产酸代谢关键酶编码基因丰度变化发现，pH三元缓冲体系通过以下2种机制优化代谢进程：1）提升纤维素水解酶活性，加速稻秆水解转化；2）调控NADH/NAD+氧化还原平衡，引导酸化代谢流向产丁酸和乙酸，这两种短链脂肪酸具有更高的产甲烷底物可利用性；而缺乏缓冲系统的RS组因丙酸和戊酸占比过高，其积累通过热力学限制（ΔG>0）和毒性效应双重机制抑制产甲烷菌活性。

图6 ( a ) KEGG功能预测中关键酶基因丰度热图；( b ) 环境因子与酶基因丰度相关性分析；( c ) 微生物关键代谢途径。**: p < 0.01。

前期由于酸产物的迅速积累，导致消化体系中含有大量的H+。RS+PU处理组在pH三元缓冲体系的作用下，质子泵活性被显著上调，将细胞中过量的H+排出，同时外排的H+可及时与胞外的三元缓冲体系发生反应，削弱质子驱动力（PMF）驱动的H+内流，避免细胞质酸化，以此缓解厌氧消化系统的酸抑制，稳定产甲烷性能。与此同时，渗透压调节转运蛋白的相关编码基因丰度也明显上调，在H+排出的同时将NH+ 4离子转运至细胞内，以维持细胞内电荷平衡，确保微生物细胞稳态。本研究将为高含固厌氧消化工艺优化提供理论依据与工程调控靶点。

图7 KEGG功能预测( a ) H⁺-ATPase编码基因和 ( b )渗透压调节转运蛋白的编码基因相对丰度；( c ) 微环境中酸抑制缓解机制。

我院颜丙花教授、刘超副教授为共同通讯作者，2023级生态学博士研究生董文健为第一作者。合作者包括我校罗琳教授、张嘉超教授、赵文艳博士、姜子灏以及乌兹别克斯坦科学院微生物研究所Akhmadzhan A.Makhsumkhanov教授。

本研究得到了国家自然科学基金（42277494; 52261145699）；国家外国专家计划（G2023029007L）；湖南省青年科技人才（2022RC1145）；湖南省优秀青年基金（2022JJ20029）等项目支持。

作者简介

通讯作者：颜丙花，女，教授，博士研究生导师，湖南省“百人计划”和湖南省青年科技人才入选者，香港浸会大学农业生物研究所荣誉研究员，湖南农业大学第十四学术委员会委员，国际生物过程协会终身会员，南方草食动物研究中心特聘教授，中国沼气学会青年委员。国家和湖南省科技专家库成员，广东省科技评审专家。近五年主持国家自然科学基金（3）、湖南省重点研发计划，湖南省优秀青年基金等项目10余项。在Renewable and sustainable energy reviews, Water research, Bioresource technology等领域主流期刊发表SCI论文60余篇；出版中英专著10部；国际学术会议报告>50。受邀担任期刊Bioresource Technology, Process Safety and Environmental Protection, Fermentation客座编辑，Environmental Technology编委和Frontiers in Energy Research副主编，Waste Disposal and Sustainable Energy和Green Carbon青年编委。申请专利10余项，授权8项，PCT国际专利1项。获湖南省自然科学三等奖1项（第1完成人）。

通讯作者：刘超，男，博士，硕士研究生导师，湖南农业大学环境与生态学院副教授，华南理工大学博士，中国科学院海洋研究所博士后。主要从事农林废弃物的资源化与高值化利用，生物质基功能材料，生物污损防控的研究。主持或参与国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖南省重点研发计划、湖南省自然科学基金、湖南省教育厅优秀青年项目等项目，以第一作者或通讯作者在Bioresource Technology, Chemical Engineering Journal, Science of The Total Environment, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Materials Science & Technology等权威期刊发表论文20余篇，授权发明专利4项；受邀担任Bioresource Technology, Chemical Engineering Journal, Science of the Total Environment, ACS Applied Materials Interface, Progress in Organic Coating, Polymers等多个期刊的审稿人。

第一作者：董文健，男，中共党员，湖南农业大学环境与生态学院2023级博士研究生，生态学专业，导师颜丙花教授。主要研究方向为农林有机固体废弃物厌氧消化资源化方向，包括厌氧消化产甲烷、厌氧发酵生物制氢、厌氧发酵产羧酸等。目前以第一作者在Renewable and sustainable energy reviews、Chemical Engineering Journal等期刊发表论文2篇。