Fe/N共改性生物炭对富氮底物厌氧消化的响应：工艺性能、微生物群落及关键代谢途径

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Response of anaerobic digestion of nitrogen-rich substrates to Fe/N co-modified biochar: Process performance, Microbial communities and Key metabolic pathways

　　

• •
  Fe₃O₄@NBC 使 CH₄ 产率提高了 103.21%，优于单一改性生物炭。
• •
  SAO（硫酸盐还原古菌）细菌 Alkaliphilus 和 norank_Christensenellaceae 得到富集。
• •
  水解、酸化产酸和 SAO 功能得到了协同促进。
• •
  葡萄糖磷酸化和 WL 通路的预测基因得到富集。
• •
  在高氨条件下，与 DIET 相关的 SAO-HM 得到增强。

引言

集约化畜牧业的迅速扩张导致鸡粪（CM）等畜禽粪便的排放量持续增长。若这些废弃物得不到及时处理，将引发一系列环境问题，包括水体富营养化、土壤板结以及温室气体排放，严重制约畜牧业的可持续发展 [1], [2]。厌氧消化（AD）是一种清洁的生物能源技术，可将有机废弃物转化为生物甲烷，从而助力气候变化缓解和能源安全 [3], [4]。然而，鸡粪具有高蛋白含量和低 C/N 比的特征，蛋白质降解及后续脱氨作用可能导致厌氧消化过程中氨氮和游离氨的积累 [5]。一旦铵离子浓度超过微生物的耐受阈值，关键功能微生物群落的活性将受到严重抑制，进而引发体系内的氨抑制效应 [6]。此时，产酸菌与产甲烷菌之间的电子传递和互营代谢平衡被打破，导致厌氧消化系统不稳定、产甲烷性能下降 [7]。因此，开发有效策略以缓解氨抑制并维持微生物互营代谢的稳定性，对于实现富氮底物的高效厌氧消化工程至关重要。

近年来，基于功能材料的策略越来越多地被认可为缓解厌氧消化中氨抑制的有效途径。生物炭凭借其优异的吸附性能、显著的缓冲能力、大的比表面积以及支持微生物定殖的能力，在缓解氨抑制和提高产甲烷性能方面展现出相当大的潜力 [8]。然而，原生生物炭的固有特性在一定程度上限制了其在厌氧消化中的实际应用 [9]。具体而言，生物炭相对较低的电导率和有限的电子交换容量阻碍了高效的种间电子传递 [10], [11]，从而制约了产酸菌与产甲烷菌之间的互营作用。因此，需要对生物炭进行进一步改性以优化其微观结构和生物催化性能。杂原子掺杂可以有效地调节碳基材料的结构特征和表面化学性质。作为高电负性的非金属元素，氮掺杂可以重塑碳基体的局部电子结构并增加生物炭表面的缺陷位点 [12]。此外，不同的含氮官能团对材料性能表现出不同的调控效应。吡啶氮和吡咯氮可作为活性位点增强污染物吸附和催化反应 [13]，而石墨氮可以调节相邻碳原子的电子结构，从而促进高效电子传递 [14]。同时，铁是微生物代谢中必需的微量元素，在电子传递蛋白（如含 Fe-S 簇的铁氧还蛋白）以及包括氢化酶和 CODH/ACS 复合物在内的金属酶中发挥着重要作用 [15], [16]。当 Fe₃O₄ 纳米颗粒锚定在生物炭上时，具有氧化还原活性的 Fe²⁺/Fe³⁺ 位点可以促进互营微生物与产甲烷菌之间的直接种间电子传递（DIET）过程 [17], [18]。然而，Fe₃O₄ 纳米颗粒在负载到生物炭表面时可能会发生团聚，从而降低活性位点的暴露程度并限制界面电子传递效率。先前的研究表明，通过氮掺杂引入的含氮位点可以增强铁物种与碳基体之间的相互作用，从而促进 Fe₃O₄ 纳米颗粒在生物炭表面均匀分散 [19]。因此，Fe/N 共改性生物炭（Fe₃O₄@NBC）可以将氮掺杂引起的电子结构调控与 Fe₃O₄ 的可逆 Fe²⁺/Fe³⁺ 氧化还原特性相结合，从而促进厌氧消化过程中的微生物电子传递。

Zhong 等人（2025）发现，掺入氮改性生物炭负载的磁铁矿（Fe₃O₄@N-BC）显著提高了活性污泥厌氧消化过程中的甲烷产量，其增强效果优于单独的 Fe₃O₄ 或原生生物炭 [20]。此外，Fe₃O₄@N-BC 选择性地富集了具有 DIET 潜力的电活性细菌和产甲烷菌 [21], [22]。Ma 等人（2024）报道，Fe、N 共掺杂生物炭（Fe, N-BC）通过同时增强微生物到污染物的电子传递以及微生物之间的 DIET，显著提高了厌氧消化过程的稳定性和污染物去除效率 [13]。尽管先前的研究已证明了 Fe/N 共改性增强厌氧消化的潜力，但 Fe/N 界面调控在氨抑制条件下如何塑造互营相互作用和电子传递通路仍知之甚少。特别是，氮改性和铁改性在水解、产酸和产甲烷各阶段中的单独贡献与耦合效应，以及它们对关键功能微生物和功能基因的调控机制，仍有待进一步阐明。

因此，本研究以鸡粪为底物，系统比较了氮改性生物炭（NBC）、铁改性生物炭（Fe₃O₄@BC）和 Fe₃O₄@NBC 在高氨条件下对厌氧消化性能的影响。通过分析材料结构和理化性质的变化，进一步阐明氮改性和铁改性的单独贡献和耦合效应在提高产甲烷性能方面的作用。此外，利用 16S rRNA 测序和功能预测，表征了关键功能微生物的变化以及与水解、产酸和产甲烷相关的酶编码基因预测丰度，从而阐明互营代谢、电子传递和产甲烷通路的潜在机制。总体而言，本研究为改性生物炭在提高富氮有机废弃物能源回收中的应用提供了机制性见解。

部分摘要

材料

玉米秸秆采集自山东省淄博市，经研磨并过 80-100 目筛后进行生物炭制备。接种物取自半连续厌氧消化实验产生的沼气沼液，随后按 7:3（v/v）的比例与培养基混合。混合物在 37 °C 恒温培养箱中预培养 7 天以获得最终接种物。培养基的主要成分包括 CHNaO₂（5 g）、CH₃COONa（5 g）、甲醇（5 mL），

生物炭的理化表征

如表 S1 所示，BC 的比表面积和总孔隙率分别为 100.96 m²/g 和 0.08 cm³/g。与 BC 相比，NBC 的比表面积和总孔隙率分别增加到 147.59 m²/g 和 0.11 cm³/g，表明氮改性改善了生物炭的孔结构。Fe₃O₄@BC 的比表面积降低至 89.69 m²/g，而 Fe₃O₄@NBC 保留了相对较高的比表面积 123.64 m²/g。这表明 N

结论

在高氨条件下，Fe₃O₄@NBC 的甲烷产量显著高于单一改性生物炭，相对于对照组提高了 103.21%。NBC 主要通过促进功能菌的富集和增加 pccA 及 mcmA 的预测丰度发挥作用。Fe₃O₄@BC 增加了 hk 和 ppgK 的预测丰度，并富集了 norank_Christensenellaceae。Fe₃O₄@NBC 整合了 NBC 和 Fe₃O₄@BC 的优势，实现了协同增强

CRediT 作者贡献声明

杨富力：监督、方法论、资金获取。王芳：写作–审阅与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、概念构思。张德力：可视化、方法论、调查研究。易伟明：可视化、监督、方法论、调查研究。卢光辉：软件、资源。李可怡：资源、调查研究。迪露：写作–原稿撰写、方法论、形式化分析、数据整理。姬晓峰：软件、调查研究。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所述工作的已知经济利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（32472026, 52206265）和山东省自然科学基金（ZR2023QE106）的资助。

Di Lu|Xiaofeng Ji|Guanghe Lu|Keyi Li|Deli Zhang|Weiming Yi|Fuli Yang|Fang Wang