近日，河南师范大学环境学院固废处置与资源化团队禹同欢老师在《Journal of Cleaner Production》发表研究论文，该研究以富含脂质与蛋白质的模拟餐厨底物为研究对象，考察1 4 MPa不同高压二氧化碳（HPCD）预处理压力对产酸发酵过程的影响。研究发现，2 MPa为最优预处理压力，可实现挥发性脂肪酸（VFAs）产量最大化，并使代谢定向流向乙酸；该压力条件平衡了内源酶水解作用与土著菌群的选择性灭活，构建出适宜外源污泥微生物定殖的抗逆微环境，触发靶向代谢调控，促进乙酰 CoA大量富集，为VFAs合成供给关键前体。同时体系形成模块化微生物互作网络：Escherichia Shigella（大肠埃希菌 志贺氏菌）与Citrobacter（柠檬酸杆菌）作为初级发酵菌快速分解底物，为Lawsonella、Clostridium_sensu_stricto_3合成终产物乙酸供给关键前体。该研究表明，适宜压力的 HPCD预处理是强化复杂生物质产酸发酵、实现资源高效回收的可行策略。
图文摘要
引言
蛋白质和脂质是餐厨垃圾的典型组分，会显著抑制产酸发酵过程。产酸发酵是实现餐厨垃圾资源化的重要路径，但传统预处理手段普遍存在能耗高、易产生有毒副产物等弊端。高压二氧化碳（HPCD）作为一种绿色预处理技术，仍难以兼顾大分子解构和土著微生物灭活之间的平衡。为此，本研究以富脂质、蛋白质的模拟餐厨底物为对象，设置1 4 MPa的HPCD压力梯度开展预处理实验，对比不同压力条件下的产酸发酵效能，解析微生物群落演替、代谢调控及菌群模块化分工机制，以期为复杂生物质高效资源化回收提供科学依据。
图文导读
酸化发酵性能与最优压力
图 1. 酸化发酵性能评价：（a）各处理组的蛋白质与氨基酸浓度；（b）各 VFA 组分的综合评价值（CES）气泡图
发酵终止后，各组可溶性蛋白浓度无显著差异，HPCD处理组不溶性蛋白质显著降低；其中HPCD2 MPa组氨基酸积累水平最高，表明适度HPCD预处理可改善底物可及性，为产酸发酵供给代谢前体。基于综合评价得分CES分析，HPCD2 MPa处理下乙酸CES值最优，证实该压力在提升产物产量的同时，可驱动碳代谢流定向富集乙酸与丙酸。
微生物群落多样性与组成
图 2. 微生物群落与多样性：（a）α多样性指数箱线图（属水平）；（b）（c）门、属水平群落组成柱状图；（d）（e）门、属水平弦图
HPCD2 MPa组的Simpson指数、观测物种数与Pielou均匀度指数均为各组最高，在科、属、种分类水平可注释得到的类群数量最多；除门水平外，该组的核心类群丰度同样处于最高水平。较高的群落多样性、丰富度、均匀度及核心微生物数量，代表系统具备更稳定高效的功能。2 MPa预处理可构建多样性高、结构稳健、功能潜力突出的微生物群落，为外源微生物的定殖与协同代谢奠定基础。
功能潜力与靶向代谢调控
图 3. 功能潜力预测：（a）（b）（c）KEGG 一级、二级与 KO 水平功能热图；（d）强化通路驱动 VFA 生成的代谢路径
结合多数据库功能预测解析群落代谢特征，HPCD2 MPa组代谢与遗传信息处理通路富集，反映体系内微生物增殖活跃。该条件下丙酮酸代谢通路上调，丙酮酸向乙酰 CoA转化增强，为乙酸合成供给核心前体；多种脱氢酶协同高表达，持续提供NADH与还原力，推动碳流向挥发性脂肪酸倾斜。该结果由16S扩增子经PICRUSt2预测得到，仅反映群落遗传潜力，有待宏转录组或宏蛋白组进一步验证。
互作网络重构与交叉
图 4. 微生物关联网络的拓扑重构及其与 VFA 生成的功能关联：（a）各处理组的网络拓扑指数；（b）优势菌属与各 VFA 组分的 Spearman 相关性热图
VFA的合成依赖菌群协同代谢，本研究通过关联网络解析HPCD预处理对微生物互作关系的重塑效应。2 MPa组网络具备更高的模块度、平均相异性与平均路径长度，聚类系数、正边占比及自然连通度则更低，表明HPCD的选择压力削弱了群落冗余协同，驱动菌群形成低冗余的模块化结构。Spearman相关性分析证实，Lawsonella、Clostridium_sensu_stricto_3、Phascolarctobacterium为乙酸合成的终端功能菌；优势属Escherichia Shigella与乙酸无显著直接关联，反映典型交叉饲喂机制：其与Citrobacter作为初级发酵菌降解底物，为下游乙酸合成提供代谢前体。
机制整合
图 6. HPCD 预处理最大化 VFA 生成的机制总览：（a）2 MPa 条件下的多维微生物机制；（b）以 2 MPa 为临界工程阈值的物化平衡模型
发酵过程中微生物群落发生明显重构，2 MPa条件下实现群落重组、靶向代谢调控与模块化分工协同；在属水平上，初级发酵菌与终端产乙酸菌形成功能分区。其中 2 MPa处于底物降解与微生物灭活的最优区间，平衡内源水解酶活性与菌群选择性抑制，有利于底物降解并定向合成乙酸，提升产酸效率。
结论与意义
本研究表明，HPCD预处理可显著提升富脂质、蛋白质底物的产酸发酵效能，其中2 MPa处理综合效果最佳。该处理通过协调底物大分子解构与土著菌群的选择性灭活，重塑发酵微环境并驱动微生物群落模块化分工协作，实现挥发性脂肪酸尤其是乙酸的高效合成，为复杂生物质产酸发酵提供了一种绿色预处理策略，对推动餐厨垃圾高值资源化回收具有重要意义。
论文链接
Tonghuan Yu, Ken Cheng, Jiameng Fu, Xiaoran Zhang, Xueting Song, Zhiguo Cao, Yuhui Li, Xunchang Fei, Hitoshi Iwahashi, Junfeng Wan, Lingling Wang. Modular labor division and targeted metabolic regulation driven by high-pressure carbon dioxide pretreatment for enhancing food waste acidogenic fermentation. Journal of Cleaner Production.2026. 584: 149902.
https://authors.elsevier.com/a/1o4G23QCo9uSVx