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青島能源所工業(yè)生物燃?xì)庋芯恐行奶剿靼钡种茀捬跸瘷C(jī)制和緩解策略研究高氮有機(jī)廢棄物厭氧消化過程中經(jīng)常出現(xiàn)氨氮抑制甲烷生成的現(xiàn)象。例如養(yǎng)殖業(yè)廢棄物中的禽畜糞污，在厭氧發(fā)酵過程中會(huì)產(chǎn)生大量氨氮，抑制產(chǎn)甲烷過程。因此，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所工業(yè)生物燃?xì)庋芯恐行奶剿髁税钡种茀捬跸a(chǎn)甲烷的機(jī)理以及緩解策略，旨在為高氮含量固體廢棄物的高效能源化利用和工藝優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。 在厭氧消化過程中通常認(rèn)為氨氮抑制產(chǎn)甲烷古菌的代謝，本團(tuán)隊(duì)研究人員從單一的底物代謝水平直接驗(yàn)證了氨氮對(duì)水解酸化過程的抑制機(jī)理。從發(fā)酵參數(shù)和宏轉(zhuǎn)錄組水平分析，在導(dǎo)致產(chǎn)甲烷活性半抑制的氨氮濃度下（IC50 = 1500 mg/L），丙酸和正丁酸的生物轉(zhuǎn)化受到抑制，但乙酸轉(zhuǎn)化為甲烷的生物轉(zhuǎn)化并未受到顯著影響（Feng et al., ACS EST Engg. 2023）。微生物群落分析表明，丙酸和丁酸降解菌的數(shù)量并未受到低氨氮抑制濃度的影響，古菌的組成也基本相似。然而宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，催化丙酸或丁酸降解的特定關(guān)鍵酶均受到氨毒性的影響，其豐度低于對(duì)照組的40%。此外，在氨脅迫下，RNA聚合酶亞基（M、α、β）、ATP聚合酶亞基（I、A、D）和與核糖體亞基有關(guān)的基因（L5、L6、L10、L11、S7、S11）的表達(dá)水平顯著下降。氨毒性導(dǎo)致微生物 DNA 損傷，從而導(dǎo)致SOS應(yīng)答機(jī)制相關(guān)蛋白（LexA、RecA）的表達(dá)增加（圖1）。本研究為后續(xù)研究緩解氨氮抑制方法的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。 圖1 半抑制濃度下氨氮對(duì)厭氧消化的抑制機(jī)理 在研究緩解氨氮抑制策略方向，先前研究證明含鐵材料的添加可有效緩解氨氮對(duì)產(chǎn)甲烷的抑制。然而，不同形態(tài)的含鐵材料對(duì)厭氧消化的影響機(jī)制區(qū)別尚未被揭示。本團(tuán)隊(duì)研究人員分別探究了自由態(tài)鐵離子FeCl3和磁性鐵Fe3O4緩解氨氮抑制的效果，并從宏轉(zhuǎn)錄組水平揭示了其不同的緩解機(jī)制（Dai et al., ACS EST Engg. 2024）。結(jié)果表明，在3 g/L的氨濃度下，加入等物質(zhì)的量的FeCl3和Fe3O4（0.43 mM）均提高了甲烷的累積產(chǎn)量。此外，添加含鐵物質(zhì)緩解了由氨氮抑制引起的揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）和胞外聚合物（EPS）積累，對(duì)電子傳遞能力也有顯著的積極影響。宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示，F(xiàn)eCl3和Fe3O4的添加均增強(qiáng)了細(xì)胞的基礎(chǔ)代謝和能量供應(yīng)，以及微生物的電子傳遞和甲烷生成相關(guān)的酶的活性（圖2）。然而，兩種含鐵材料表現(xiàn)有不同的緩解機(jī)制，添加自由形態(tài)的鐵離子（FeCl3）可以緩解氨氮對(duì)互養(yǎng)丙酸和互養(yǎng)乙酸氧化細(xì)菌的抑制，通過刺激c型細(xì)胞色素的合成增強(qiáng)DIET，促進(jìn)甲烷的生成；而Fe3O4通過刺激產(chǎn)甲烷相關(guān)基因的表達(dá)以及作為電容器促進(jìn)電子傳遞來加速甲烷的生成。
圖2不同形態(tài)鐵材料緩解氨氮抑制厭氧消化機(jī)制區(qū)別揭示 相關(guān)研究成果“Ammonia Stress on Anaerobic Digestion: The More Sensitive Propionic/Butyric Acid-Degrading Bacteria over Methanogens”（馮凱碩士為第一作者）和“Distinct Mechanisms between Free Iron Species and Magnetite Addition in Anaerobic Digestion on Alleviating Ammonia Inhibition”（戴曉鳳博士為第一作者）均發(fā)表在ACS ES&T Engineering雜志，連淑娟副研究員和付善飛研究員為共同通訊作者，該工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目和青島市自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目的資助。(文/圖 連淑娟、戴曉鳳)
文章鏈接： https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsestengg.4c00171 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsestengg.3c00411 |
