CeO2与副产氢气的协同作用可有效缓解食物垃圾厌氧消化过程中氨对反应的抑制效应：探究微生物代谢机制与系统稳定性

《ACS ES&T Engineering》：CeO2 and Side-Stream Hydrogenation Domestication Synergistically Mitigate Ammonia Inhibition in Food Waste Anaerobic Digestion: Insights into Microbial Metabolism and System Stability

高氨浓度抑制厌氧微生物活性，导致H?和挥发性脂肪酸（VFAs）积累及氧化应激。侧流氢气驯化（SHD）通过富集同型乙酸菌提升H?消耗能力，提高氨耐受性至3.1 g/L。本研究引入CeO?颗粒作为ROS清除剂，协同SHD使氨耐受性提升至3.7 g/L，同时维持高甲烷产量（387.3 mL/gVS·d）。CeO?通过CAT-like活性清除ROS，促进Ce3?/Ce??循环，抑制内源性CAT合成，并通过H?刺激抗氧化物质分泌及TCA循环和V/A-ATP酶基因丰度增加，协同缓解VFAs积累和氧化应激，建立高效氨耐受厌氧消化系统。

　　

高浓度的氨会抑制厌氧微生物的活性，这会阻碍消化过程，并导致氢气（H₂）和挥发性脂肪酸（VFAs）的积累。这种情况会在微生物体内引发氧化应激，并产生活性氧（ROS）。我们之前的研究表明，侧流氢气驯化（SHD）通过富集同型乙酸菌（homoacetogens）来提高系统的氢气消耗能力，从而增强其对氨的耐受性。在此基础上，本研究引入了二氧化铈（CeO₂）颗粒作为ROS清除剂，以进一步提高效率。实验结果表明，CeO₂辅助的SHD策略显著减轻了氨的抑制作用，将氨氮负荷容量从3.1克/升（仅采用SHD时）提升至3.7克/升，同时保持了高且稳定的甲烷产量（387.3毫升CH₄/克挥发性底物·天）。CeO₂通过其类似过氧化氢酶（CAT）的活性来减少ROS，从而维持细胞的存活。在侧流氢气驯化过程中，功能性微生物利用氢气将Ce⁴⁺还原为Ce³⁺，促进了Ce³⁺/Ce⁴⁺的氧化还原循环，维持了细胞的抗氧化能力。该过程还刺激了同型乙酸菌增加氢气的消耗，并加速了丙酸和丁酸的降解。宏基因组分析显示，CeO₂与氢气之间的协同作用能够增强与同型乙酸生成、丁酸/丙酸降解以及甲烷生成相关的代谢途径，创造有利的热力学条件；它还能增强ROS的清除能力，因为CeO₂减少了细胞内自身过氧化氢酶合成的需求，而氢气则促使微生物分泌抗氧化物质；此外，它还增加了TCA循环和V/A型ATP酶等能量产生途径相关基因的丰度，确保了酸代谢和足够的ATP生成。这种综合方法协同作用，有效减轻了VFAs的积累和ROS应激，建立了一个高效的耐氨厌氧消化系统。