郭榮欣，楊依雯，鄭旭升，張芷晗，王雪波，鄒德勛，劉研萍

(北京化工大學 化學工程學院 環(huán)境科學與工程系，北京 100029)

隨著全球人口快速增長，工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展和城市化進程加快，能源短缺及環(huán)境污染問題日益突出[1]。厭氧消化技術(shù)不但可以有效的處理人類各種活動產(chǎn)生的污染物，而且會產(chǎn)生清潔可再生能源—甲烷[2]。對厭氧消化技術(shù)的研究和進一步優(yōu)化已成為當前各國不斷探尋和開發(fā)的重要目標。

厭氧消化技術(shù)具體是指在無氧條件下通過微生物(如水解產(chǎn)酸菌、產(chǎn)甲烷菌等)的代謝作用將廢物中可生物降解的有機物轉(zhuǎn)化為CH4，CO2和穩(wěn)定物質(zhì)的生物化學過程[3]。自1977年我國首篇關(guān)于厭氧消化的文獻發(fā)表至今我國關(guān)于厭氧消化的相關(guān)研究已經(jīng)進行了數(shù)十年[4]，不論是從技術(shù)方面的創(chuàng)新、優(yōu)化，相關(guān)法律、法規(guī)的提出都取得了十分卓越的成效。我國厭氧消化技術(shù)也從農(nóng)村較分散的化糞池、沼氣池等發(fā)展到集中式、工業(yè)規(guī)模的綜合型厭氧消化處理工藝。

為了更好的了解厭氧消化技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，本文采用Web of Science(WOS)核心數(shù)據(jù)庫通過文獻計量學的方法并對全球厭氧消化技術(shù)的相關(guān)研究內(nèi)容進行可視化分析和統(tǒng)計分析，使用可視化分析的手段整理了厭氧消化技術(shù)的研究現(xiàn)狀與未來面臨的問題，從而為學者們今后進一步研究提供一定的參考。

1 數(shù)據(jù)來源及統(tǒng)計方法

1.1 文獻計量網(wǎng)絡分析

文獻計量網(wǎng)絡分析是在文獻計量學的基礎(chǔ)上與社會網(wǎng)絡分析相結(jié)合來對某一學科領(lǐng)域進行宏觀回顧的高效方式[5]。其通過形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的方法建立了基于國家、期刊、機構(gòu)、作者以及關(guān)鍵詞之間的知識圖譜，而已經(jīng)被大量使用且被證明是一種定量評估學術(shù)文獻的發(fā)展趨勢的有效工具[6]。

本文使用VOSviewer(1.6.15版)軟件進行了文獻計量網(wǎng)絡分析，該軟件的主要技術(shù)術(shù)語見表1[7]。

表1 VOSviewer軟件的主要技術(shù)術(shù)語

1.2 數(shù)據(jù)來源

所有數(shù)據(jù)來源于WOS數(shù)據(jù)庫中的核心集合，以主題為檢索項目，檢索條件為(Anaerobic digestion)檢索時間范圍設置為WOS數(shù)據(jù)庫包含的所有可用出版年份，數(shù)據(jù)庫將時間自動設置為2001～2020年，共得到檢索結(jié)果22275條記錄。所有數(shù)據(jù)均保存為“純文本”文件，其中包含“完整記錄和引用的參考文獻”。所有數(shù)據(jù)截止于2020年7月31日。以此作為分析對象進行下一步的文獻計量網(wǎng)絡分析。

1.3 統(tǒng)計方法

本研究使用SPSS軟件分析了有關(guān)厭氧消化的發(fā)文數(shù)量趨勢，并使用ARIMA模型進行了時間序列分析并預測了2020年的全年發(fā)文量。同時使用Tableau軟件對發(fā)文國家進行可視化。使用VOSviewer對發(fā)文國家、發(fā)文作者和引文進行共現(xiàn)分析并對關(guān)鍵詞進行聚類和共現(xiàn)分析。通過形成知識圖譜對全球的厭氧消化研究領(lǐng)域進行總結(jié)與回顧。

2 結(jié)果與討論

2.1 文獻類型

首先對得到的樣本進行了文獻類型統(tǒng)計。表2列出了檢索到的22275篇文章的文獻類型，其中研究論文18900篇，占比84.85%。在各種文章類型中研究論文在一定程度上可以很好地反應出該領(lǐng)域地發(fā)展趨勢和進展方向。

表2 2001～2020年期間發(fā)表的文獻類型信息

2.2 文獻發(fā)表數(shù)量及增長趨勢

某領(lǐng)域的發(fā)文量在一定程度上可以很好的反映出該領(lǐng)域的受重視程度，根據(jù)檢索的結(jié)果來看，從2001～2019年的19年間該領(lǐng)域共發(fā)文20041篇。如圖1所示，自2001年以來，有關(guān)厭氧消化的文章逐年增加，并在近年來增速上升顯著。在使用SPSS軟件進行時間序列分析后預測2020年的全年發(fā)文量將達到3014篇。說明有關(guān)厭氧消化的研究雖然已經(jīng)進行多年，但是依舊受到學者們的關(guān)注[8-9]。

圖1 2001～2019 年相關(guān)文獻年度變化趨勢圖以及 2020 年發(fā)文量預測

2.3 學科類別分析

表3顯示了2001至2020年在厭氧消化研究中排名前5的學科，其中工程類是最多的學科，共發(fā)表了8450篇文章，說明對厭氧消化的工程應用是全球?qū)W者們關(guān)注的重點。環(huán)境科學與生態(tài)學發(fā)文8384篇文章，位居第二，此外微生物學以及化學等學科同樣具有一席之地。

表3 各學科發(fā)文量以及占比

2.4 主要發(fā)文國家與機構(gòu)

對進行厭氧消化研究的國家的發(fā)文量使用Tableau軟件進行可視化分析，如圖2所示。來自中國發(fā)文量最多，達到5011篇，占到發(fā)文總量的22.496%。此結(jié)果有力地說明了我國對厭氧消化的研究十分重視，并取得了矚目成果。

圖2 厭氧消化研究文章各國家發(fā)文量統(tǒng)計圖

使用VOSviewer對發(fā)文國家進行聚類分析，如圖3所示，結(jié)果顯示國家之間的聚類明顯，合作度較高。國家的中心性用來表示該國家在某研究領(lǐng)域的國際地位，鏈接強度則表明了與其余國家的合作次數(shù)。其中中國在網(wǎng)絡圖譜中的節(jié)點大小以及鏈接強度均為最高。不但說明我國在該領(lǐng)域研究的活躍性最高同時研究成果也具有很強的國際影響力。其次具有一定中心性的國家為美國、西班牙、德國等。

圖3 厭氧消化研究文章發(fā)文國家聚類網(wǎng)絡圖

全球范圍內(nèi)共有8043所機構(gòu)對厭氧消化技術(shù)進行了研究，如表4所示，發(fā)文量前10的機構(gòu)中有5所來自中國。這些機構(gòu)共發(fā)文3693篇占到全部檢索結(jié)果的16.58%。其中，中國科學院以647篇的發(fā)文量位居第一，占比達到2.905%。厭氧消化文獻發(fā)表量前10名的研究機構(gòu)來自6個國家，而其中有5所來自中國，說明了在厭氧消化的研究上中國相較于其他國家具有很大的優(yōu)勢。

2.5 主要發(fā)文期刊與作者

在厭氧消化的研究上共涉及了39162位作者，其中發(fā)文量在50篇以上的有93位，排名前10的作者信息見表5。該10位作者共發(fā)文1345篇，占到全部作者發(fā)文總量的6.04%。發(fā)文量前3位的作者分別來自丹麥、中國和法國，這些作者的發(fā)文量合計占到前10名作者發(fā)文總量的42.00%；10位作者中來自中國的最多，有6位，說明中國學者在厭氧消化研究領(lǐng)具有一定的優(yōu)勢。丹麥技術(shù)大學的Angelidaki Irini的發(fā)文量達到208篇，位居榜首且H指數(shù)也位居第一。綜合表4可知，我國有五所高校和研究所列入前10名，其次是歐洲，并且歐洲的大型厭氧消化工程亦處于世界前列。目前歐盟國家的沼氣發(fā)電在17662個工廠中達到了9985 MWe的裝機容量[10]。

表4 發(fā)文量前10位研究機構(gòu)

表5 發(fā)文量前10名作者信息

本研究檢索出的有關(guān)厭氧消化研究的期刊共2037個。按照發(fā)表數(shù)量，表6列出了排名前10的期刊以及其發(fā)文量、H指數(shù)、所屬國家和影響因子(greenSCI，2019年)。發(fā)文量在100篇以上的共37個，200篇以上的19個。其中最為突出的是BioresourceTechnology共刊發(fā)了2952篇有關(guān)厭氧消化的文章，占到發(fā)文總量的13.25%。同時該期刊的文章被引用總次數(shù)高達107426次，同時H指數(shù)也位居第一，說明該刊在厭氧消化領(lǐng)域具有舉足輕重的地位。WaterResearch的影響因子最高，為9.13。圖4為使用VOSviewer軟件對各個期刊進行共現(xiàn)分析的結(jié)果，可以看出BioresourceTechnology在網(wǎng)絡圖譜中的節(jié)點大小以及鏈接強度均為最高從而體現(xiàn)出了最高的中心性。說明其不但在發(fā)文數(shù)量上位居首位同時在被引次數(shù)上也是第一，印證了其在厭氧消化研究領(lǐng)域的核心地位。

表6 刊發(fā)文章數(shù)量前10種期刊

圖4 厭氧消化研究發(fā)文期刊共現(xiàn)網(wǎng)絡圖

2.6 文章被引頻次分析

表7按照總被引次數(shù)統(tǒng)計了前10篇被引文獻，其中來自University of North Carolina的Cheng Jay J于2008年在BioresourceTechnology上發(fā)表的題為Inhibitionofanaerobicdigestionprocess:Areview[11]一文被引次數(shù)最多，高達到2407次，位居第一。該文認為厭氧消化技術(shù)由于其可以同時實現(xiàn)對污染物的控制以及對生物質(zhì)能的利用而成為一種極具潛力的固體廢物的處理方法。許多的農(nóng)業(yè)和工業(yè)固體廢物由于含有大量的可生物降解的成分，因此成為了理想的厭氧消化的理想原料。但是，厭氧消化系統(tǒng)中經(jīng)常會發(fā)生甲烷產(chǎn)量低或者是工藝不穩(wěn)定等問題從而阻礙了厭氧消化技術(shù)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用。而對于厭氧消化過程中所產(chǎn)生的大量抑制性物質(zhì)如：氨、硫化物、金屬離子以及重金屬等則是厭氧消化反應器出現(xiàn)故障的主要原因。而在眾多文獻中由于接種物、原料以及實驗條件的差異使得對特定物質(zhì)引起的抑制性作用的結(jié)果千差萬別。但是，采用共消化的方法、讓微生物對抑制性物質(zhì)產(chǎn)生耐受性以及在預處理過程中對有毒物質(zhì)進行有效地去除都可以顯著地提高厭氧消化的效率。其余的文章被引數(shù)量基本在700次以上，如此高的被引次數(shù)說明了對厭氧消化技術(shù)的研究一直是目前環(huán)境科學領(lǐng)域的熱點問題之一。

表7 被引文獻及其被引量(Top10)

2.7 關(guān)鍵詞分析

2.7.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次分析

對檢索出的22275文章中出現(xiàn)的38699個關(guān)鍵詞使用VOSviewer軟件進行可視化分析，其中出現(xiàn)頻次大于150的關(guān)鍵詞共有233個。圖5顯示，共現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞有厭氧消化、沼氣、產(chǎn)甲烷量、消化、共消化、餐廚垃圾、污泥、預處理以及甲烷等，說明這些關(guān)鍵詞經(jīng)常在文獻中出現(xiàn)[21-25]。

圖5 關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次密度圖

2.7.2 關(guān)鍵詞聚類與演進分析

使用VOSviewer軟件對出現(xiàn)頻次大于150的關(guān)鍵詞的聚類進行分析，結(jié)果見圖6。排名前7的關(guān)鍵詞的屬性見表8可以看出出現(xiàn)頻次大于150的關(guān)鍵詞共233個，它們的節(jié)點大小代表了總連接強度，各個關(guān)鍵詞節(jié)點之間的接近程度表明了這些研究主題之間的關(guān)聯(lián)程度?！皡捬跸笔强傛溄訌姸茸罡叩年P(guān)鍵詞，總鏈接強度第二的則是“沼氣”。表8顯示了而厭氧消化的評價指標通常選用產(chǎn)沼氣量和產(chǎn)甲烷量，這2個關(guān)鍵詞排名分別為第三和第四。共消化是目前的研究熱點，位列第五；共消化可通過各類底物的混合實現(xiàn)營養(yǎng)的平衡和微生物的富集，提高底物降解效率，優(yōu)化產(chǎn)氣性能并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。“Co-Digestion”與“Biogas Production”和“Microbial Community”等關(guān)鍵詞的相似的出現(xiàn)時間也體現(xiàn)出了共消化的研究目的。網(wǎng)絡圖中的共消化“Co-Digestion”與“Manure”，“Food Waste”和“Straw”等底物鏈接強度很高，在一定程度上說明了餐廚垃圾、糞污和秸稈是進行共消化研究中的常見底物。另外，餐廚垃圾位列第六，并與“pH”和“Volatile Fatty-Acids”的鏈接強度很高，這是因為餐廚垃圾厭氧消化易酸化，快速轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸而降低系統(tǒng)pH值，餐廚垃圾厭氧消化的大量研究集中于解決酸化問題。

圖6 關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡圖

表8 依據(jù)總連接強度排名前7的關(guān)鍵詞

2.7.3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)熱點演進分析

關(guān)鍵詞的出現(xiàn)時間在一定程度上也反映了厭氧消化研究熱點的演進路徑。通過VOSviewer軟件，對關(guān)鍵詞的出現(xiàn)時間進行分析，如圖7所示?？梢钥闯鰧捬跸难芯筷P(guān)鍵詞由“消化”、“UASB”、“毒性”轉(zhuǎn)向“預處理”、“堿性預處理”、“活性污泥”、“秸稈”、“牛糞”等。而目前研究的關(guān)鍵詞則包括：“生命周期評價”、“種間電子傳遞”、“微生物群落”等。關(guān)鍵詞的演進過程呈現(xiàn)出了厭氧消化的研究進程是：從基礎(chǔ)理論的建立向工程應用的轉(zhuǎn)變，再到對微觀機理的細致分析，以及引入環(huán)境管理的視角對厭氧消化技術(shù)進行分析。圖7中于2017年出現(xiàn)的“Interspecies Electron-Transfer”，僅和“Methane Production”和“Anaerobic Digestion”有鏈接。這是由于近年的研究發(fā)現(xiàn)向厭氧消化體系中添加導電材料可以促進甲烷的產(chǎn)生[27-29]；促進機制主要通過微生物群落功能進行闡述。近年來通過16S rRNA 基因組、宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組和宏蛋白組的分子生物學的方法對厭氧消化過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)以及多樣性進行了深入研究。對于能夠進行種間電子傳遞的微生物種類、種間電子傳遞的具體機制以及影響種間電子傳遞的因素仍需深入研究。

圖7 厭氧消化研究熱點演進圖

3 結(jié)論

利用 Web of Science核心數(shù)據(jù)庫分析了全球范圍內(nèi)有關(guān)厭氧消化的學術(shù)文獻。關(guān)于該主題的文獻總數(shù)(22275篇)顯示出厭氧消化領(lǐng)域雖然進行了很長時間但依然是目前學者們關(guān)注的熱點。有關(guān)該主題的大多數(shù)研究集中在工程應用以及環(huán)境領(lǐng)域。

通過時間序列的分析，未來有關(guān)厭氧消化的研究依然會不斷地增長。考慮到厭氧消化的本質(zhì)是微生物的活動過程，未來的研究應采用跨學科的視角來進一步探索厭氧消化問題。這要求融合不同的技術(shù)和學科，其中包括環(huán)境科學領(lǐng)域的固體廢物處理、機械領(lǐng)域的厭氧消化設備設計以及生物學上微生物研究等。