原位制备混合菌基复合酶强化餐厨垃圾定向水解和厌氧消化：效能、机制、微生物群落和全局代谢通路
陈佳新1，崔理慧1，延一鸣1，吉星星1，费 强1,2,3，马英群1,2,3
（1. 西安交通大学 化学工程与技术学院，陕西 西安 710049；2. 陕西省能源化工过程强化重点实验室，陕西 西安 710049；3. 西安市一碳化合物生物转化技术重点实验室，陕西 西安 710049）
译者：陈佳新；审查：马英群；单位：西安交通大学
论文来源：Chemical Engineering Journal. 2024， 486, 150208. In situ preparation of oriented microbial consortium-based compound enzyme strengthens food waste disintegration and anaerobic digestion: Performance, mechanism, microbial communities and global metabolic pathways. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150208
餐厨垃圾；混合菌基复合酶；厌氧消化；酶水解机制；微生物群落；代谢通路
研发了适用于餐厨垃圾定向酶解的混合菌基复合酶，餐厨垃圾厌氧消化效率提升，甲烷产率提高55.9%；
混合菌基复合酶促进了餐厨垃圾溶解，破坏了餐厨垃圾结构，增强了其生物可降解性；
混合菌基复合酶预处理重塑了厌氧消化过程的微生物群落，强化了甲烷生产的代谢通路。
水解是餐厨垃圾厌氧消化过程的限速步骤，开发绿色高效的餐厨垃圾预处理技术迫在眉睫。酶解技术具有反应条件温和、无副产物/难降解物质产生和无化学污染等优点，特别是其高选择性和专一性，可实现餐厨垃圾中可生物降解组分的定向水解，是一种极具应用前景的餐厨垃圾预处理技术。然而，商业酶通常以单一类型的形式提供，对组分复杂的餐厨垃圾酶解效率偏低，且长期连续使用成本较高，限制其进一步推广应用。目前，已开发的单菌基复合酶虽然降低了成本，但因功能单菌的固有属性导致其生产的复合酶活性分布不均、与餐厨垃圾组分匹配度较差、酶解效率偏低。基于此，本研究旨在开发适用于餐厨垃圾酶解的高活性和高匹配度的混合菌基复合酶，并采用详细的研究方法阐明其强化餐厨垃圾酶解和厌氧消化的机制，为未来餐厨垃圾酶解工艺的精准设计、稳定运行和高效厌氧消化提供重要的参考数据和理论支撑。
以餐厨垃圾为唯一底物，接种不同比例的高产蛋白酶菌株Aspergillus oryzae CICC 40214和高产淀粉酶菌株Aspergillus niger CICC 40294，通过固态发酵制备混合菌基复合酶，餐厨垃圾酶解时酶投加量为5%（w/w），酶解温度为60 ℃。采用3D-EEM、FTIR、XPS和FESEM对酶解前后的餐厨垃圾进行表征。将酶解后的餐厨垃圾和接种污泥以1∶2（以VS计）比例混合，并在37 ℃下厌氧消化生产甲烷，采用自动甲烷潜力测试系统（AMPTS）测定其生化甲烷潜力（BMP），并对厌氧消化过程的微生物群落组成和宏基因组进行解析。
餐厨垃圾经混合菌基复合酶水解后，水解液的SCOD较未酶解组最高可增加29.8%，同时水解液的3D-EEM结果显示区域I和区域 IV的荧光强度最高可分别增加213.1%和226.3%，而水解固体的FTIR、XPS和FESEM结果显示蛋白质结构较未酶解组变得更加松散，且与碳水化合物相关的C—(C/H)和与蛋白质相关的protein-N含量均降低，以上结果表明混合菌基复合酶破坏了餐厨垃圾表面形态，促进了餐厨垃圾中大分子有机物的分解，并使其由固相向液相转移，提高了餐厨垃圾的生物可降解性。餐厨垃圾经混合菌基复合酶预处理后，其甲烷产量（以VS计）最高可达522.6 mL/g，较未酶解组提升了55.9%；厌氧消化过程的核心产甲烷菌群由氢营养型转变为乙酸营养型，且功能微生物中80%的糖酵解相关基因、60%的氨基酸代谢相关基因、75%的TCA循环相关基因和86%的甲烷代谢相关基因的丰度均明显增加，从而促进了甲烷生产。
本研究开发了适用于餐厨垃圾定向酶解的混合菌基复合酶，并阐明了混合菌基复合酶强化餐厨垃圾酶解及厌氧消化的机制，为突破传统单菌基复合酶活性分配不均和匹配度差的技术瓶颈提供技术和理论基础。
