Fe3 O4 @生物炭对不同氨氮水平下产甲烷过程的调控机制及微生物代谢通路解析

本研究针对厌氧消化（AD）中氨氮抑制导致产甲烷效率下降的问题，通过添加Fe3 O4 @生物炭，探究其在1200-6000 mg/L NH4 + -N浓度下对产甲烷途径的调控作用。结果表明，该材料通过富集耐氨菌群（如未分类梭菌目和甲烷八叠球菌属）、促进直接种间电子传递（DIET）及上调Wood-Ljungdahl通路关键酶基因表达，使甲烷产量提升11.3%-183.6%，为高氨氮有机废弃物资源化提供了理论依据。

　　

背景与挑战
厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）技术被誉为有机废弃物的“绿色炼金术”，能将畜禽粪便、餐厨垃圾等转化为清洁能源甲烷。然而，高氮原料水解释放的氨氮（AN）如同一把双刃剑——低浓度时是微生物的“营养剂”，高浓度则化身“细胞毒药”，通过破坏质子平衡和抑制代谢酶活性，导致产甲烷菌“罢工”。尤其当NH₄
⁺
-N浓度超过1200 mg/L时，传统AD系统的甲烷产量可能骤降70%。更棘手的是，氨氮会阻断微生物间的“电子对话”（如直接种间电子传递DIET），使得本已低效的产甲烷过程雪上加霜。

破局之道
山东某高校团队在《Biochemical Engineering Journal》发表的研究中，创新性地将纳米四氧化三铁（Fe₃
O₄
）与生物炭复合，构建了一种“电子高速公路”材料Fe₃
O₄
@生物炭。该材料在1200-6000 mg/L的宽域氨氮浓度下，通过调控微生物代谢网络，使甲烷产量实现11.3%-183.6%的飞跃式提升。

关键技术
研究采用批次实验评估不同AN浓度下（1200-6000 mg/L NH₄
⁺
-N）的产甲烷效能，结合16S rRNA测序解析微生物群落结构，并通过宏基因组学挖掘关键代谢通路基因（如甲基四氢叶酸环化水解酶）。实验以葡萄糖为碳源，接种物为牛粪与沼液的混合物，在37℃恒温条件下进行。

结果速览

1. 产气性能
   Fe₃
   O₄
   @生物炭组在6000 mg/L AN下的甲烷产量达28.41 mL·g^?1
   VS，是对照组的2.8倍。

2. 微生物群落

• 低AN浓度：富集甲烷八叠球菌属（Methanosarcina），激活乙酸裂解（AM）途径。
• 中高AN浓度：未分类梭菌目（Clostridiales）与Methanosarcina形成电子传递联盟，促进SAO-HM（乙酸氧化-氢营养型产甲烷）途径。

1. 代谢通路
   Wood-Ljungdahl通路中甲基四氢叶酸环化水解酶基因的高表达，证实Fe₃
   O₄
   @生物炭通过强化一碳代谢提升甲烷合成效率。

启示与展望
该研究首次揭示了Fe₃
O₄
@生物炭在宽域氨氮梯度下的“智能”调控机制：既是电子穿梭的“导体”，又是耐氨菌群的“庇护所”。其通过重构微生物互作网络，将传统AD从氨氮抑制的桎梏中解放出来，为高氮有机废物的规模化处理提供了可复用的技术模板。未来研究可进一步探索材料-微生物界面电子传递的分子开关，推动AD技术向精准调控迈进。