综述：厌氧消化池中环境条件对产甲烷途径平衡影响的关键因素

该综述探讨厌氧消化（AD）中环境条件对乙酸营养型（AM）和氢营养型（HM）产甲烷途径平衡的影响，为优化沼气生产提供指导。

　　

一、引言

厌氧消化（AD）技术能将有机废物处理与可再生能源生产、营养物质循环相结合。沼气是 AD 过程的主要产物之一，主要由甲烷（CH₄）（45 - 70%）和二氧化碳（CO₂）（35 - 55%）组成，还含有少量其他气体，可用于发电、供热，或升级为生物甲烷注入天然气网络。城市（如污水、城市固体废物）、农村（如动物粪便、农作物残渣）和工业（如造纸厂废水）等多种废弃物都能用于沼气生产。为实现联合国可持续发展目标，包括沼气在内的可再生能源生产必须得到提升，比如欧洲计划到 2030 年将沼气产量提高到 350 亿立方米，相比 2022 年增长 67%。

在厌氧消化池中，乙酸营养型产甲烷（AM）和氢营养型产甲烷（HM）是主要的 CH₄生成途径。AM 过程中，乙酸转化为 CH₄；HM 过程则是由 H₂和 CO₂生成 CH₄，且 HM 途径常与互营乙酸氧化（SAO）偶联，SAO 会将乙酸转化为氢营养型底物。了解影响产甲烷途径的因素，有助于提高沼气产量、优化过程控制和提升沼气质量。刺激 HM 途径还能用于生物沼气升级过程，消耗沼气中的 CO₂并转化为 CH₄，提高气体的能量潜力，作为天然气的替代品，并且有助于平衡风能、太阳能等可再生能源的供需。

虽然从有机降解的化学反应来看，AM 应占生成甲烷的 67%，但实际上 HM 常成为主要的 CH₄生产途径。温度、pH、挥发性脂肪酸（VFA）和氨浓度被认为是沼气反应器中产甲烷途径的主要驱动因素，其中温度和氨备受关注。不过，即便在高温和高氨条件下，AM 仍可能占主导，而且在没有高温或高氨浓度的情况下，产甲烷途径也可能发生转变，这表明还有其他未被充分研究的因素影响着产甲烷途径。本系统综述旨在确定关键因素，解决环境条件对厌氧消化池中 AM 和 HM 途径平衡影响的不一致性问题，通过整合文献，为优化沼气生产和提高 AD 系统的可持续性提供实用指导。

二、材料和方法

2.1 文献检索和研究选择标准

本系统综述遵循系统评价和荟萃分析的首选报告项目（PRISMA）指南进行。在 Web of Science 和 Scopus 数据库中进行全面文献检索，检索词结合了 “hydrogenotrophic”“acetoclastic”“methanogen”“methane production”“biogas” 等关键词，以及 “hydrogen”“acetate” 与 “consuming”“utilizing”“dependent” 的组合，使用通配符处理关键词的不同拼写和变体，通过布尔运算符连接，检索范围限定在标题、摘要和关键词，仅选择英文的同行评审原创研究文章。

考虑到 2016 年后相关出版物数量较多，检索范围限定在 2016 - 2021 年发表的论文。纳入分析的研究需满足以下标准：对产甲烷群落进行分析，且有产甲烷古菌的相对丰度数据；描述的产甲烷群落比例超过 80%；沼气反应器为连续、半连续或序批式稳态运行；未添加特定微生物（生物强化）。提取的数据包括底物特征、反应器配置、操作条件、预处理或添加剂的应用、消化液特征、甲烷产量和微生物群落组成。当数据仅以图形形式呈现时，使用 Web Plot Digitizer 提取数据值。产甲烷菌根据其产甲烷途径分类，只有能从 CO₂和 H₂产生 CH₄的微生物才被归类为氢营养型产甲烷古菌（HMA）。若超过 30% 的产甲烷菌为混合营养型或未知类型，相关数据不纳入分析；同时，由于 RNA 和蛋白质分析的数据仅占收集数据的 6%，也被忽略。若 HMA 不占优势，则假定乙酸营养型产甲烷古菌（AMA）为优势产甲烷菌。

2.2 数据分析

从研究中收集的定量数据根据文献或现有数据进行分组。由于收集的相对丰度数据往往缺乏变异性度量，且不同属和种被归为乙酸营养型或氢营养型产甲烷菌，无法进行荟萃分析统计。为评估不同参数对 HMA 在微生物群落中占比的影响，进行了 Kruskal - Wallis 非参数秩和检验，并使用 Dunn 检验（Bonferroni 校正）进行事后两两比较，分析在 R（v. 4.2.3）中使用 rstatix 包进行，显著性水平设定为 95%，将 HMA 在微生物群落中的占比作为因变量，不同参数作为自变量。此外，使用 stats 包计算 Spearman 秩相关系数，评估无机元素浓度与 HMA 相对丰度之间的相关性。

三、结果与讨论

3.1 文献检索结果

PRISMA 流程图展示了文章的筛选过程。数据库检索共得到 3053 篇文章，去除 1403 篇重复文章后，经标题和摘要筛选排除 656 篇，最终有 271 篇文章纳入本系统综述。在 942 篇报告中，多数（n = 840）采用 16S rRNA 扩增子测序来表征产甲烷群落，也有研究使用宏基因组学（n = 20）、针对 16S rRNA（n = 21）或 mcrA（n = 12）基因的定量 PCR 等方法。

3.2 温度和氨的影响

研究发现，极低的操作温度（<20°C，嗜冷）与中温操作相比，对 HM 无显著影响，这与之前认为低温会降低 HM 占比的观点相悖。在嗜冷条件下，一些研究报道乙酸营养型群落占优势，而许多研究则表明 HM 占主导，这可能是因为 HMA 对伴随的不利条件（如低 pH 和温度波动）具有抗性，且嗜冷温度下气体（如 H₂和 CO₂）的溶解度增加，而乙酸等化合物的溶解度和扩散降低。

相比之下，嗜热消化池的 HMA 占比（中位数 = 0.96）显著高于中温消化池（中位数 = 0.42），即使在低总氨氮（TAN）浓度下，这一趋势依然存在。虽然嗜热反应器数据存在 14 个异常值，但嗜热组的下四分位数（0.78）仍超过中温组的上四分位数（0.74），表明温度对产甲烷途径影响很大。许多研究表明，在中温到嗜热条件下，HMA 的占比会增加，例如温度从 35°C 升高到 70°C 时，乙酸营养型的 Methanothrix 会部分被氢营养型的 Methanospirillum 和 Methanothermobacter 取代。

较高温度使 SAO 反应更易进行，有利于从乙酸生成 H₂和 CO₂，进而促进 HM，同时氢营养型活性在高温下受抑制程度较小，且高温会增加游离氨氮（FAN）浓度，抑制 AM，因为 AMA 对氨抑制更敏感。不过，部分嗜热操作的消化池仍有超过 50% 的 AMA，可能是接种物中富含 Methanothrix，且实验时间不足以使群落完全转变，也可能存在其他影响产甲烷途径的因素。

TAN 浓度对微生物群落的影响因温度而异。在中温消化池中，TAN 低于 1500mg/L 时，HMA 的中位数相对丰度为 0.35，而 TAN 高于 3000mg/L 时，HM 的占比显著增加（中位数 = 0.84）；在嗜热消化池中，HMA 的丰度总体较高，且 TAN 高于和低于 3000mg/L 时差异显著。FAN 浓度方面，只有高于 300mg/L 时，才会使 HMA 的占比显著高于低 FAN 浓度（≤100mg/L）的情况。增加 TAN 浓度会降低 AMA 的相对丰度，温度或 pH 的变化也会改变 FAN 浓度，进一步影响产甲烷途径。但也有研究表明，即使在高 TAN 和 / 或 FAN 浓度下，Methanothrix 仍可能占主导，且嗜热和高氨消化池的微生物群落常由 Methanosarcina 主导，该属为混合营养型，不过在这些反应器中，通过其他方法评估发现 HM 仍占优势。

3.3 沼气生产的原料

研究数据中，多数（78%）来自单底物消化（mono - digestion）的反应器，4% 来自未添加有机底物、仅通入气体混合物（通常为 H₂+CO₂）的反应器。污水污泥、食物垃圾和粪便分别是单底物消化和共消化系统中最常用的原料，此外，以碳水化合物为碳源的合成底物也被广泛使用。

同一原料的反应器中，HMA 在产甲烷群落中的相对丰度差异很大。食物垃圾、工业废水和市政废水组的 25% 和 75% 分位数差异最大，这是因为这些原料的成分和特性差异大，如工业废水来源多样，食物垃圾和市政废水在地理和季节上变化大。以气体混合物为原料的反应器中 HMA 占比最高，而藻类生物质和有机固体废物反应器中 HM 占比最低。有机固体废物消化池通常为中温且 TAN 值低，有利于 AM，但添加 TAN 或矿物废料等应激源后，AMA 不再占主导。

为排除温度和 TAN 的影响，研究将结果分为四组。在中温低 TAN 条件下，藻类生物质、猪粪和食品工业废水的 HMA 占比最低；在中温高 TAN 和嗜热条件下，原料种类较少，且原料对产甲烷途径的影响较小。对食物垃圾、污水污泥和猪粪的研究表明，环境条件（如 TAN 和温度）对微生物群落组成影响较大，但在低温低 TAN 时，原料组成对产甲烷途径平衡有调节作用。

3.4 有机物的数量和质量

研究发现，碳水化合物和脂质含量与 HMA 的占比呈正相关，而蛋白质含量对产甲烷途径无影响。碳水化合物降解快，能快速产生 VFA，有利于 HM；高碳水化合物浓度的消化池在中温和嗜热条件下 HMA 丰度都较高，但也有相反的报道。脂质丰富的废物能量高，但厌氧消化时可能因长链脂肪酸（LCFA）积累导致发泡和产甲烷抑制，降低脂质浓度会减少 HMA 在产甲烷群落中的占比，脂质降解需要互营微生物和 HMA 的协作，且富含脂质的原料会降低 AMA 的相对丰度，而蛋白质丰富的原料对微生物群落无影响。

木质素是难降解化合物，高木质素含量的原料会降低 HMA 的相对丰度。虽然低 C:N 比会增加 TAN 浓度，可能导致途径转变，但本研究中不同 C:N 比水平下 HMA 的占比无显著差异，且 C:N 对产甲烷途径的影响可能取决于消化池的有机负荷率（OLR）。在本研究中，OLR 对产甲烷途径无明显影响，而在自然环境中，有机物可用性降低会增加 HM。总体而言，在厌氧消化池中，有机物质量而非数量对调节产甲烷途径起作用。

3.5 pH 的影响

pH 对产甲烷途径的影响似乎取决于操作温度。综合所有数据，碱性 pH 值下 HMA 的中位数占比（0.75）显著高于中性 pH 值（0.46）。但在中温低 TAN（≤1500mg/L）的消化池中，低 pH 值（中位数 = 0.63）比中性（中位数 = 0.39）和碱性（中位数 = 0.36）条件更有利于 HM，这是因为不同产甲烷菌的最佳生长 pH 范围不同，HMA 在较低 pH 值下更易生长，而 AMA 在该条件下受抑制。

在嗜热低 TAN 的消化池中，碱性 pH 会使 HMA 占主导。虽然较高 pH 范围有利于 AMA，但高温和碱性 pH 会增加 FAN 水平，即使 TAN 相对较低，也会促进 HM。此外，pH 的影响可能还与 pH 变化方式有关，突然的 pH 变化可能有利于 HM。

3.6 挥发性脂肪酸

乙酸浓度高于 500mg/L 时，HMA 的相对丰度显著增加（中位数 = 0.82），高于 3600mg/L 时进一步增加（中位数 = 0.98）。乙酸浓度增加会使 SAO 在热力学上更有利，从而促进 HM 过程，许多研究报道在高乙酸浓度下 HMA 占优势。

丙酸和丁酸浓度高于 800mg/L 时，HMA 的相对丰度也显著增加。虽然它们是产甲烷的重要中间产物，但积累会降低碱度和 pH，可能对产甲烷古菌有毒性。目前对除乙酸外的 VFA 对产甲烷途径的影响研究较少，本分析表明高浓度的丁酸、丙酸和总 VFA 也与 HM 占优势相关。由于乙酸在 65% 的报告中占总 VFA 浓度的 50% 以上，所以 VFA 与 HMA 丰度的相关性与乙酸相似，高 VFA 水平与应激条件相关，对 AM 的抑制作用更强。

3.7 无机成分

无机元素常存在于原料中或被添加以提高消化性能，适量的无机元素能提高甲烷产量、缓解抑制并提高系统稳定性，但高浓度可能抑制产甲烷作用，导致反应器失效。本研究分析的大多数无机元素与 HMA 的丰度呈负相关，其中 Cr、Se 和 W 与 HMA 丰度的负相关性最强。虽然这些微量元素在 HM 途径中起重要作用，但有研究表明，HMA 在微量元素缺乏条件下似乎更有利，而 AMA 在补充微量元素时更易生长，但也有相反的报道，且添加微量元素可能改善以 SAO - HM 为主的反应器性能。Fe³⁺与 HMA 的丰度呈显著正相关，其对 HMA 的影响可能与 Fe 的多种作用机制有关，包括作为电子受体、氧化还原特性、沉淀 H₂S 和合成金属酶等。

四、思考与未来研究方向

本研究结果在解读时需谨慎，微生物群落分析虽能指示主要微生物，但不一定反映厌氧消化池中最活跃的微生物，优势产甲烷菌的功能也不一定与主导产甲烷途径一致。不过，本系统综述确定并整理了影响沼气消化池中 AM 和 HM 平衡的主要参数，为研究产甲烷途径选择的影响因素提供了有价值的见解。

未来研究应进一步关注有机物质量和微量元素浓度对产甲烷途径的影响。目前多数研究集中在温度和氨的影响上，而在不同底物的反应器中评估产甲烷途径，特别是在中温低 TAN 浓度下很有必要。可以通过研究特定碳水化合物、蛋白质和脂质含量的原料对产甲烷途径的影响，深入了解有机物质量的作用。此外，还需更深入地研究微量元素浓度和生物可利用性与产甲烷途径的相关性，目前微量元素数据多来自合成底物实验，不同原料中微量元素的定量及其对产甲烷途径的影响有待探索，部分元素（如 Cr、Se 和 W）与 HMA 丰度负相关的原因也需进一步研究。

五、结论

本研究结果与以往研究一致，表明 HMA 在高温（>45°C）、高 TAN（>3000mg/L）和高 FAN（>300mg/L）等极端条件下具有较强的适应性。但不同研究中 AMA 的存在说明微生物适应在产甲烷途径选择中起关键作用。此外，无机元素和有机物组成等以往被忽视的因素也会影响产甲烷途径。原料类型的影响在中温低 TAN 条件下较为明显，脂质和碳水化合物含量与途径平衡相关。pH 的影响具有温度依赖性，酸性 pH 在低温（<45°C）下有利于 HM，碱性 pH 在高温下更有利。未来研究应整合多因素分析，深入了解温度、TAN、pH 和底物组成之间的相互作用，这对优化沼气生产过程至关重要，有助于提高厌氧消化池的效率和稳定性，推动可持续废物管理和可再生能源生产。