硫酸盐还原系统中强化厌氧木质素降解：共底物、营养盐与金属对高级木质纤维素生物精炼的协同作用机制

本研究针对木质纤维素生物质中木质素顽固性阻碍厌氧转化的难题，通过构建硫酸盐还原系统（SRB），系统评估了纤维素共底物、硫酸盐（1 g·L-1）、营养盐及过量金属（Fe 50 mg·L-1、Zn/Cu各5 mg·L-1）对橄榄石（木质素含量59.9%）降解的影响。最优组合实现30%木质素降解和1041 mg O2有机物转化率，较无硫酸盐或营养盐体系提升35%磺化作用，为采矿废水（MIW）与农业废弃物协同处理提供新策略。

　　

在全球人口持续增长和农业工业活动加剧的背景下，每年产生近13亿吨木质纤维素生物质，其中大量被焚烧或废弃。这类富含纤维素、半纤维素和木质素的植物残体本可作为生物精炼的优质原料，但木质素——这个占植物细胞壁干重三分之一的复杂芳香聚合物，因其交联结构和疏水性成为生物转化的"铜墙铁壁"。尤其令人头疼的是，传统观点认为木质素厌氧降解几乎不可能，因为其芳香环裂解需要氧气参与。然而近年研究发现，硫酸盐还原菌（SRB）等厌氧微生物可能通过分泌过氧化物酶等酶类打破这一认知桎梏。

来自巴西圣保罗研究基金会（FAPESP）支持的研究团队选择木质素含量高达59.9%的橄榄石作为模型底物，在《Bioresource Technology》发表的研究中，设计了八组序批式反应器，探究硫酸盐、营养盐、微量金属（Fe、Zn、Cu）与纤维素共底物对木质素降解的协同效应。研究采用化学需氧量（COD）转化率、木质素降解率等指标，结合磺化作用和甲烷生成途径分析，系统评估了不同条件对厌氧微生物群落功能的影响。

关键技术包括：（1）建立含SO₄^2-（1 g·L^-1）的硫酸盐还原系统；（2）添加模拟采矿废水的金属组合（Fe 50 mg·L^-1+Zn/Cu各5 mg·L^-1）；（3）采用Klason法测定木质素含量；（4）通过压力变化监测甲烷生成动态。

【Fed-batch reactors: Experimental setup and materials】
研究采用2 mm筛分的橄榄石内果皮，其组分经标准方法测定为16.6%纤维素、15.3%半纤维素和59.9%Klason木质素。反应器设置中特别关注金属添加组与对照组的差异，模拟真实采矿废水环境。

【Organic matter conversion ? methanogenesis and sulfidogenesis metabolic pathways】
数据表明，完整系统（含硫酸盐+营养盐+金属+接种物）的COD转化达1041 mg O₂，显著高于缺硫酸盐体系。有趣的是，无接种但含营养盐的体系仍实现15%木质素降解，提示土著微生物的降解潜力。与纯纤维素系统相比，添加橄榄石使甲烷产量提升19%，磺化作用增强35%，证实木质纤维素可同步促进两种代谢途径。

【Conclusion】
研究揭示硫酸盐还原与金属营养的协同作用可突破木质素厌氧降解瓶颈。最优条件下30%的木质素降解率创下新纪录，为开发木质纤维素硫酸盐还原生物反应器（LSRB）提供理论支撑。该技术既能处理采矿废水，又可转化农业废弃物，实现"以废治废"的循环经济模式。

这项工作由Bárbara Franco Vieira领衔完成，首次系统阐明金属可用性如何调控厌氧木质素转化效率，为生物精炼与环境修复的跨界融合开辟新路径。特别是发现Fe/Zn/Cu组合能显著激活SRB的酶系统，这对处理高硫高金属废水具有重要指导价值。研究结果将推动"采矿废水-农业废渣"共处理技术的工业化应用，助力碳中和目标的实现。