综述：用于解决氨抑制导致的厌氧消化问题的光照刺激策略：有效性、作用机制、关键因素及实际应用潜力

《Bioresource Technology》：Light stimulation strategy for tackling ammonia-inhibited anaerobic digestion: effectiveness, mechanisms, critical factors and practical potentials

光刺激策略（LSS）可有效缓解高氨浓度（2000-8000 mg/L）对厌氧消化过程的抑制，通过重构微生物群落、增强电子传递网络及调控代谢途径提升甲烷产量至常规的2倍。当前挑战包括光渗透限制、方法学不一致及分子机制不明，未来需结合多组学解析、太阳能驱动反应器设计及 techno-economic 评估推动规模化应用。

　　Yunxin Zhu 和 Yingnan Yang 是来自京都大学先进科学学院的学者，他们的研究聚焦于厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）过程中氨抑制问题的解决。氨抑制是影响氮含量高的废弃物厌氧消化效率的重要因素，主要通过干扰微生物的活性来实现。然而，近年来出现了一种新的生物导向策略——光刺激策略（Light Stimulation Strategy, LSS），该策略通过在高氨毒性条件下（2000–8000?mg/L）施加可见光（370–8000?nm）来提高甲烷产量，其效果可达两倍。LSS 的核心原理包括光照强度、持续时间和波长等关键参数，以及其与功能性材料的结合应用，为优化厌氧消化过程提供了理论依据。

LSS 不仅限于对光合微生物的影响，更适用于非光合厌氧菌，如产氢菌、脱氮菌和硫酸盐还原菌群。研究表明，适度的光照可以触发微生物的适应性反应，增强其代谢能力，提高抗应激能力。这种现象被称为“类激素效应”（Hormesis），即低剂量的应激因素可以引发有益的生理反应，而高剂量则可能导致抑制。在厌氧消化系统中，这种效应已经被验证，例如，低剂量的四溴双酚 A（0.1?mg/L）可以提高甲烷产量，而高剂量（1–4?mg/L）则会降低产量，表明 LSS 在调控微生物活动方面具有显著效果。

LSS 的应用不仅限于实验室环境，其在实际工程中的潜力也逐步显现。通过与功能性材料（如沸石或聚合物载体）的结合，LSS 可以促进微生物的固定，调节离子缓冲能力，增强电子传递效率，从而提高厌氧消化系统的长期稳定性。此外，LSS 还具有与自然阳光兼容的优势，可以在不增加额外能耗的情况下实现可持续的运行。这种特性使得 LSS 在太阳能驱动系统中具有应用前景，能够同时提升过程效率和环境友好性。

LSS 的研究发展经历了几个关键阶段。早期的研究主要集中在探索如何将光照引入厌氧系统，从而开发出带有光照功能的上流式厌氧污泥床（LUASB）反应器。这些系统在中温条件下表现出比传统 UASB 反应器更高的氮和磷去除效率。随后，Tada 等人的开创性研究挑战了传统观点，提出了 LSS 在厌氧消化中的独特作用。他们的研究表明，光照可以作为一种温和的应激因素，激活非光合厌氧菌的代谢网络，提高其对氨毒性等不利环境条件的适应能力。

LSS 的核心机制包括微生物群落重构、电子传递增强和代谢途径调控。这些机制共同作用，使得厌氧系统能够在高氨浓度条件下保持稳定运行。例如，适度的光照可以促进微生物群落的重组，使一些关键菌种（如产甲烷菌和协同产乙酸菌）的数量增加，从而提高整个系统的代谢效率。同时，光照还可以增强电子传递相关的功能，促进电子在微生物之间的流动，提高厌氧消化的效率。此外，LSS 还可以调控代谢途径，使得某些代谢反应更加高效，从而减少中间产物的积累，提高最终产物的产量。

LSS 的应用不仅限于单一的微生物群落，还可以与其他生物技术相结合，形成多级的优化策略。例如，LSS 可以与生物强化技术结合，通过引入耐氨的产甲烷菌，提高系统的抗氨能力。此外，LSS 还可以与功能性材料结合，如沸石或聚合物载体，这些材料可以提供离子缓冲功能，减少氨对微生物的直接毒性。通过这些多级策略的结合，LSS 能够显著提高厌氧消化系统的稳定性，使其能够在高氨浓度条件下持续运行。

尽管 LSS 在实验室环境中已经显示出良好的效果，但在实际工程应用中仍面临一些挑战。首先，光照的穿透能力有限，尤其是在大规模系统中，如何确保光照能够有效到达反应器中的微生物仍然是一个难题。其次，目前的研究方法在参数设置和实验设计上存在一定的不一致性，这可能影响结果的可比性和可靠性。此外，对于 LSS 的分子机制研究仍不够深入，缺乏直接的分子层面证据，这限制了其在工程中的进一步推广和应用。

为了克服这些挑战，未来的研究方向将集中在多组学机制的阐明、太阳能驱动反应器的设计以及技术经济评估等方面。通过多组学技术，可以更全面地了解光照对微生物群落的影响，从而优化 LSS 的应用参数。太阳能驱动反应器的设计将有助于提高系统的可持续性和能源效率，同时减少对额外能源的依赖。技术经济评估则可以为 LSS 在实际工程中的应用提供经济可行性分析，确保其在规模化应用中的成本效益。

LSS 在厌氧消化系统中的应用潜力巨大，特别是在处理高氨浓度的废弃物方面。通过合理的参数设置和与功能性材料的结合，LSS 能够显著提高甲烷产量和系统稳定性，为实现碳中和的厌氧消化系统提供新的思路。此外，LSS 还具有与自然阳光兼容的优势，使得其在太阳能驱动系统中具有广阔的应用前景。随着研究的深入和技术的进步，LSS 有望成为未来厌氧消化技术的重要组成部分，为实现可持续的生物能源生产提供支持。

总之，LSS 是一种有效的生物导向策略，能够在厌氧消化过程中缓解氨抑制问题，提高甲烷产量和系统稳定性。通过多级机制的调控，LSS 能够增强微生物的适应能力，使其在高氨浓度条件下仍能高效运行。尽管目前仍面临一些挑战，但随着多组学研究、太阳能驱动反应器设计和技术经济评估的推进，LSS 在未来有望成为实现可持续、低碳的厌氧消化系统的重要工具。