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青島能源所工業生物燃氣研究中心探索氨氮抑制厭氧消化機制和緩解策略研究高氮有機廢棄物厭氧消化過程中經常出現氨氮抑制甲烷生成的現象。例如養殖業廢棄物中的禽畜糞污，在厭氧發酵過程中會產生大量氨氮，抑制產甲烷過程。因此，中國科學院青島生物能源與過程研究所工業生物燃氣研究中心探索了氨氮抑制厭氧消化產甲烷的機理以及緩解策略，旨在為高氮含量固體廢棄物的高效能源化利用和工藝優化提供理論指導。 在厭氧消化過程中通常認為氨氮抑制產甲烷古菌的代謝，本團隊研究人員從單一的底物代謝水平直接驗證了氨氮對水解酸化過程的抑制機理。從發酵參數和宏轉錄組水平分析，在導致產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化受到抑制，但乙酸轉化為甲烷的生物轉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。然而宏轉錄組學分析發現，催化丙酸或丁酸降解的特定關鍵酶均受到氨毒性的影響，其豐度低于對照組的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的基因（L5、L6、L10、L11、S7、S11）的表達水平顯著下降。氨毒性導致微生物 DNA 損傷，從而導致SOS應答機制相關蛋白（LexA、RecA）的表達增加（圖1）。本研究為后續研究緩解氨氮抑制方法的應用提供了理論依據。 圖1 半抑制濃度下氨氮對厭氧消化的抑制機理 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產甲烷的抑制。然而，不同形態的含鐵材料對厭氧消化的影響機制區別尚未被揭示。本團隊研究人員分別探究了自由態鐵離子FeCl3和磁性鐵Fe3O4緩解氨氮抑制的效果，并從宏轉錄組水平揭示了其不同的緩解機制（Dai et al., ACS EST Engg. 2024）。結果表明，在3 g/L的氨濃度下，加入等物質的量的FeCl3和Fe3O4（0.43 mM）均提高了甲烷的累積產量。此外，添加含鐵物質緩解了由氨氮抑制引起的揮發性脂肪酸（VFAs）和胞外聚合物（EPS）積累，對電子傳遞能力也有顯著的積極影響。宏轉錄組學分析顯示，FeCl3和Fe3O4的添加均增強了細胞的基礎代謝和能量供應，以及微生物的電子傳遞和甲烷生成相關的酶的活性（圖2）。然而，兩種含鐵材料表現有不同的緩解機制，添加自由形態的鐵離子（FeCl3）可以緩解氨氮對互養丙酸和互養乙酸氧化細菌的抑制，通過刺激c型細胞色素的合成增強DIET，促進甲烷的生成；而Fe3O4通過刺激產甲烷相關基因的表達以及作為電容器促進電子傳遞來加速甲烷的生成。
圖2不同形態鐵材料緩解氨氮抑制厭氧消化機制區別揭示 相關研究成果“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，該工作獲得國家自然科學基金青年項目、山東省自然科學基金青年項目和青島市自然科學基金青年項目的資助。(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 |
