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青島能源所工業(yè)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(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)酵過程中會產(chǎn)生大量氨氮，抑制產(chǎn)甲烷過程。因此，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所工業(yè)生物燃氣研究中心探索了氨氮抑制厭氧消化產(chǎn)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(yōu)化提供理論指導(dǎo)。 在厭氧消化過程中通常認為氨氮抑制產(chǎn)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(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)答機制相關(guān)蛋白（LexA、RecA）的表達增加（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(chǎn)甲烷的抑制。然而，不同形態(tài)的含鐵材料對厭氧消化的影響機制區(qū)別尚未被揭示。本團隊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的添加均增強了細胞的基礎(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)有不同的緩解機制，添加自由形態(tài)的鐵離子（FeCl3）可以緩解氨氮對互養(yǎng)丙酸和互養(yǎng)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(chǎn)甲烷相關(guān)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(tài)鐵材料緩解氨氮抑制厭氧消化機制區(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，該工作獲得國家自然科學(xué)基金青年項目、山東省自然科學(xué)基金青年項目和青島市自然科學(xué)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 |
