厌氧消化作为一种成熟的生物质转化技术可以有效地将纤维素类固体废弃物转化为生物甲烷。然而厌氧消化资源化效率及挥发性脂肪酸的累积一直是研究人员的研究热点。在此背景下,本研究首先采用批次实验以废弃纸箱为基质通过优化温度、粒径、碳氮比(C/N)、食微比(F/M)及总固体含量(TS)等消化过程相关影响因素,及投加生物炭的方式以提高纸箱厌氧消化效率。然后采用完全混合式反应器(CSTR)进行长周期高负荷运转实验,投加Fe、Co、Ni微量元素,探究其对挥发性脂肪酸(VFA)生成转化及厌氧消化性能的具体影响,并分析有机酸积累对微生物产生的抑制效应。同时运用高通量测序及宏基因组技术对酸抑制前后微生物样品进行基因组信息检测,对水解、酸化、乙酸化和产甲烷化的关键酶活相关编码基因进行全面分析,判断酸抑制前后厌氧消化代谢路径变化情况。最在给定的酸抑制环境下,考察不同抑制条件下厌氧污泥胞外聚合物(EPS)组分及各类ATP酶活的变化情况。本研究主要结论如下:1.在温度为35℃、纸箱粒径为2-5 mm、F/M在0.5-2范围时取得纸箱最佳消化效果。当TS为30%,C/N比为60时由于氨抑制而引起产甲烷下降;当TS为10%,C/N为400时会由于氮元素不足而导致微生物活性降低。适量生物炭的添加有利于促进微生物的协同活动,富集可能参与种间电子传递的菌种(Syntrophomonas,Bacteroidetes,Methanosaeta)S,显著提高了纸箱消化中的最大产甲烷速率(Kmax),与未添加生物炭的实验组相比,Kmax提高了 1.41倍,从而达到了纸箱高效消化的目的。2.在纤维素长期单独厌氧消化过程中,有机进料负荷提升至7.36 gCOD/L/d时导致微生物水解效率较低,单位基质产甲烷量仅为48mL/gCOD/d。在添加铁、鈷、镍微量元素短期内缓解了高有机负荷引起的甲烷产量下降的趋势。但随着消化的持续运行,微量元素的添加提高了水解酸化菌活性,导致水解酸化速率远大于产甲烷速率,造成VFA的累积消化酸败。在酸抑制前后微生物群落均以Methanosaeta为优势微生物分别占比为31.4%和32.1%。受酸抑制的影响在门水平上耐受性微生物Firmicutes、Acinobacteria和Thermotogae得到富集成为优势菌种。在属水平上Clostridioides表现出了极强的耐酸性,其相对丰度从抑制前1.3%增加到抑制后的16.5%。3.基于KEGG数据库分析酸抑制前后代谢路径的变化情况。受酸抑制的影响2-磷酸丙酰、磷酸丁酰酯和乙酰磷酸酯作为前体物向丙酸、丁酸、乙酸转化过程中的编码基因含量分别下降了 60.8%、79.4%和35.0%。在抑制前后样品中均以乙酸营养型和氢营养型产甲烷菌代谢路径为主。在反应器稳定运行样品中产甲烷菌代谢路径相关编码基因含量远高于抑制后样品的含量。4.在高浓度VFA环境下厌氧微生物会分泌更多的EPS来抵御VFA所造成的抑制,特别是蛋白质含量的增加。而H+-K+、Ca2+-Mg2、、Na+-K+ATP酶活性随pH的变化而呈不同的变化趋势,由此引发胞内K+和Ca2+的富集以维持胞内外渗透压平衡。