熱水解預處理（Thermal hydrolysis pretreatment,THP）因其環境友好性和工藝可持續性被認為是厭氧系統最有效的預處理方式。高溫高壓促進了大分子材料水解和加速細胞裂解，從而提升有機物溶解與營養釋放效率。然而，THP效能高度依賴生物質與溫度-時間的匹配度，且可能因美拉德等副反應生成難降解物質。當前研究多聚焦THP強化厭氧消化的現象學，側重于可行性評估而不是機理研究，對以下機制仍存認知缺口：①不同THP條件下中間產物的動態形成；②預處理中分子量分布演變規律；③對水解/酸化/產甲烷階段的抑制路徑；④消化液管理的后續影響。污泥和餐廚垃圾中的溶解性有機物（DOM）包含碳水化合物、酚類、多環芳烴等數千種結構各異的化合物，其轉化過程對系統環境效應和健康風險具有重要影響。

基于此，本研究通過微電極技術、傅里葉變換離子回旋共振質譜（FT-ICR-MS）結合數據庫分析，揭示不同THP溫度下DOM的分子特征，闡明其與微生物群落互作機制對水解和甲烷轉化的調控作用。通過評估AnMBR長期運行的產氣性能、有機物去除效率和出水水質，結合16srRNA基因測序解析微生物群落對THP的響應規律，為THP工藝優化提供理論支撐。

Unisense微電極系統的應用

通過使用微電極傳感器（OX-10，Unisense，丹麥）原位測量沿著生物膜深度的DO濃度梯度，該傳感器與皮安計連接用于數據采集。在如前所述測量DO分布之前，用無氧和飽和水校準尖端直徑為10μm的微傳感器，將微電極安裝在馬達驅動的微操縱器上，使用Sensor Trace Pro軟件精確控制該微操縱器，電機驅動微傳感器沿生物膜厚度方向以5μm的深度步進從膜表面向本體液推進，控制微傳感器15 s達到穩態，獲得溶解氧濃度分布的深度剖面，然后測量15 s，在每個位置收集5個重復樣品，再向前移動到下一個位置。利用解剖顯微鏡進行可視化觀察，以估計微傳感器與生物膜的相對位置，并選擇每個生物膜的頂部、中部和底部3個位置進行測量，以確保數據的重復性。

通過測試溶解性化學需氧量（SCOD）、溶解性蛋白質（SPN）和溶解性多糖（SPS）以評估THP溫度對混合底物中生物質化合物溶解性的影響。結果表明，THP顯著促進有機物從顆粒態向溶解態轉化，160℃為最佳溫度，SCOD峰值達6.35±0.09 g/L（較25℃原底物提升1.87倍）。然而，當溫度升至180℃和200℃時，SCOD分別降至6.15 g/L和5.96 g/L，表明高溫可能導致有機物碳化或副反應（如美拉德反應、焦糖化），生成難溶性產物。液體顏色褐變及三維熒光光譜中類黑素特征峰（λex/em=340-370/420-440 nm）進一步驗證了美拉德反應的發生。SPN及NH4+-N測試結果表明，THP顯著促進蛋白質溶解，但180℃以上可能引發蛋白質分解為胺類化合物。（圖1）

圖1熱水解預處理對SCOD、崩解率（a）、SPN（b）、SPS（c）、不同EPS組分（d）、色度（e）和氨氮濃度（f）的影響

基于運行性能和THP溫度，將AnMBR的長期實驗分為7個階段。在150天的運行過程中，控制AnMBR中TS濃度（25-30 g/L），以保證厭氧環境的熱力學穩定性。研究發現，THP溫度升至160℃時，沼氣產量最高（182.7 mL/L/d），甲烷含量穩定（61%），因高溫促進蛋白質/多糖溶解并生成N-糖基胺類物質，提升基質生物降解性；但溫度超過160℃（如180℃、200℃）時，沼氣產量下降（階段Ⅵ、Ⅶ分別為147.1、130.1 mL/L/d），因美拉德反應和焦糖化生成難降解大分子（如類黑素），抑制水解酶活性及產酸菌功能。類黑素等產物可通過結合硫醇基團破壞酶結構，降低水解速率；抑制產酸菌活性，減少揮發性脂肪酸（VFAs）生成；干擾產甲烷菌電子傳遞，阻礙乙酰輔酶A向甲烷轉化。（圖1）

圖1運行過程中生物氣產量（a）及組成（b）變化

通過負離子電噴霧傅里葉變換離子回旋共振質譜（ESI-FT-ICR MS）對熱水解預處理（THP）下溶解有機物（DOMs）的分子特征分析表明：隨著溫度升高（160℃和200℃），DOMs的離子數量和化學多樣性顯著增加，分子量分布呈現由大分子水解向高溫縮合反應轉變的趨勢。其中，160℃和200℃處理后的DOMs中，含氮化合物（CHON）占比分別達45.89%和51.0%，遠高于原始DOM（10.4%），這主要源于污泥與餐廚垃圾中蛋白質的熱水解液化，以及還原糖羰基與氨基糖氨基高溫縮合形成的美拉德反應產物。對比分析顯示，THP出水與類黑素具有相似的紫外猝滅特性、溶解性有機碳/氮（DOC/DON）及分子量特征，表明美拉德反應是難降解有機氮的主要來源。溫度升高還增強了DOMs的芳香性和極性（O/C和H/C比值變化），同時平均雙鍵當量（DBE）從3.58升至6.54，反映了高溫聚合和羰基形成導致的分子不飽和度增加。高氧化態（O/C）化合物更易被厭氧膜生物反應器（AnMBR）優先去除，而縮合反應生成的脂環羧酸類分子（CRAM）則表現出低生物降解性（表1）。

表1-AnMBR進料和消化物的分子特性