纳米磁铁矿对海藻厌氧发酵产甲烷性能影响及机制探究

创新点

论文基于微生物直接种间电子传递(DIET)产甲烷路径，利用纳米磁铁矿有效富集此过程中的功能微生物，并提高产甲烷菌胞内5,10-亚甲基四氢甲烷喋呤还原酶控制基因(mer)和杂二硫化物还原酶控制基因(hdrABC)两类重要基因的丰度，进而提升海藻生物质资源经厌氧发酵产生甲烷的能力。

通讯作者简介

李杨副教授

李杨，博士，大连理工大学副教授。主要研究方向为有机废水及固体废弃物厌氧生物处理及资源化利用。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金项目、校企合作项目等6项，参与各类省部级以上项目10余项；以第一或通讯作者在Environmental Science & Technology、Water Research等环境领域一流期刊发表论文20余篇（SCI JCR-Q1），以其他作者身份参与发表论文20余篇；授权国际、国内发明专利10余件；参编Elsevier专著1部。指导本科生获辽宁省生命科学创新创业大赛一等奖，并获优秀指导教师称号。

纳米磁铁矿对海藻厌氧发酵产甲烷性能影响及机制探究

作者

郭励奥，赵若淇，李司琦，李杨^*

单位

大连理工大学化工海洋与生命学院

基金项目

国家重点研发计划资助项目（2023YFD1701405-01）

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摘要

当前我国正处于大力发展生物天然气产业的阶段,生物天然气的生产需要通过厌氧发酵将生物质转化为沼气,然后进行净化提纯。我国海岸带资源丰富,海藻产量巨大,是潜在的生物质能源和生物天然气原料。采用厌氧发酵技术,将以海带为例的大型海藻转化为甲烷气体,实现我国海藻生物质的有效利用并产生能源气体甲烷。探究在纳米磁铁矿存在下,对该过程的促进作用及影响机制。研究结果表明,添加纳米磁铁矿能够促进海带中有机物质的降解和甲烷产生,总化学需氧量(TCOD)和溶解性化学需氧量(SCOD)去除可分别提高20%和12%以上,甲烷产量可提高1倍以上。同时,纳米磁铁矿有助于使厌氧系统更加稳定,海带发酵产酸后pH恢复中性的速度更快。微生物群落结构分析显示,纳米磁铁矿对系统内电活性微生物丰度提高明显,可以构建微生物直接种间电子传递(DIET)产甲烷的途径。此外,纳米磁铁矿还能提高5,10-亚甲基四氢甲烷喋呤还原酶控制基因(mer)和杂二硫化物还原酶控制基因(hdrABC)这2类产甲烷菌胞内重要基因的丰度,促进基于DIET产甲烷代谢通路,为我国发展生物天然气产业提供可能方案,助力我国“双碳”目标的实现。

研究背景

生物天然气是指以农作物秸秆、畜禽粪便、生活厨余垃圾、工业有机废水等各类有机物为原料，经厌氧发酵、净化、提纯产生的绿色低碳清洁可再生的非常规天然气。我国生物天然气工程规模较小，暂未形成完善的产业体系、技术支撑体系以及政策体系，产业处于发展起步阶段。从2014年开始，农业部和发改委推动大型沼气转型升级工作，尝试推进一批大型沼气工程和生物天然气工程开发建设。2019年，国家能源局首次将生物天然气纳入能源发展战略及天然气产供储销体系，预计2030年天然气产量超过300亿m³。

生物天然气兼具促进农村经济发展、减少化石能源消耗、改善生态环境等多重优势，但原料蕴含能量价值低、产品单一，限制其产业化发展。此外，秸秆纤维素预处理成本高；畜禽粪污含水量较高，限制其产气；餐厨垃圾易酸化，致使生产工艺中产甲烷菌群失活；城市剩余污泥组分复杂，生物可利用率低等缺陷也是限制其推广应用的重要原因。藻类，尤其是海产藻类，产量巨大，且光合作用效率高、生长周期短、环境适应能力强、易培养、脂类含量高，是优质的生物质原料。其中，有“能源新秀”之称的大型海藻，因含有丰富的产甲烷成分，备受学者们的重视。

关于大型海藻发酵产甲烷的研究报道较少，国内对海藻生物质的研究主要集中在微藻提取油或产氢等领域。我国有适于海藻养殖的广大沿海水域，且大型海藻养殖不占用陆地、生产成本低廉、操作简单，相对于微型藻类较易获得。因此，利用我国优势生物质海产资源——大型海藻，进行厌氧发酵产甲烷，将为我国发展生物天然气事业提供技术支撑。目前，国内外对海藻厌氧发酵产甲烷的研究仍沿用BRYANT M P提出的沼气发酵三阶段理论，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。在此三阶段理论中，海藻发酵伴随着中间产物氢气的产生和消耗，即以种间氢气传递（IHT）作为微生物间的电子传递途径。在厌氧反应器中，氢气作为中间电子载体，常会因为分压过高（>10⁻⁴Pa）使有机酸积累，从而影响后续产甲烷过程。近年来，一种新型的厌氧微生物间的电子传递方式——微生物直接种间电子传递（DIET），被发现并应用于有机物厌氧发酵产甲烷相关研究。该DIET途径可部分或全部替代IHT途径，打破IHT途径中氢气分压过高造成的热力学限制，促进有机物发酵产甲烷过程。

由于参与DIET途径的微生物为电活性菌，电活性产酸菌与电活性产甲烷菌间发生互养代谢，无需经过电子载体，直接将有机酸、醇等有机物氧化为甲烷。然而在常规厌氧消化反应器中，电活性产酸菌丰度通常较低，需进行富集培养。据相关研究报道，铁氧化物可有效富集此类电活性产酸菌，其主要机制在于铁氧化物可在厌氧反应器内发生异化铁还原过程，从而富集具有电活性产酸功能的异化铁还原菌。该类菌可在厌氧反应器内充当电活性产酸菌，与反应器内土著电活性产甲烷菌（Methanoseta/Methanothix）形成互养代谢，从而实现有机物发酵产甲烷过程。

综上，本研究拟将纳米磁铁矿作为铁氧化物添加至厌氧反应器中，用于强化大型海藻厌氧发酵产甲烷，探究纳米磁铁矿对海藻发酵产甲烷过程中微生物间的电子传递影响；拟构建以DIET为主的发酵产甲烷途径，加速发酵速率并提升甲烷产量。将海藻生物质资源转化为以甲烷为主的可燃性气体，经简单提纯形成生物天然气，以期助力我国生物天然气产业发展。

部分图片

图1 各反应器内COD去除率及甲烷产量

图2 各反应器内微生物形貌分析

图3 各反应器内微生物高通量测序分析

引文格式

郭励奥, 赵若淇, 李司琦, 李杨. 纳米磁铁矿对海藻厌氧发酵产甲烷性能影响及机制探究[J/OL]. 能源环境保护: 1-10[2024-11-11]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20241002.

GUO Li'ao，ZHAO Ruoqi, LI Siqi, LI Yang. Effects and mechanism of nano-magnetite on anaerobic methanogenesis from seaweed[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-10[2024-11-11]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20241002.

　　责任编辑：宫在芹

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