近日，環境學院張盼月教授課題組完成了導電材料強化高含硫有機廢水和污泥厭氧消化生物學機制系列論文，在環境科學與生態學領域一區Top期刊《Chemical Engineering Journal》（影響因子：15.1）和二區期刊《Journal of Water Process Engineering》（影響因子：7.0）上發表，三篇論文第一作者均為環境學院博士研究生陳樂，張盼月教授為通訊作者，北京林業大學為文章第一完成單位。
導電材料的添加在促進有機物降解、CH4產生和H2S控制等方面具有多功能作用，在含硫厭氧消化中的應用日益受到關注。近年來，導電材料的物理化學性質，如導電材料的原材料和制備工藝、材料類型、添加劑量、粒徑和表面結構等引起了研究人員的廣泛興趣。以前的綜述總結了導電材料的物理化學性質與CH4產量之間的線性關系，以及這些物理化學性質和直接種間電子傳遞（DIET）的相關性。然而，導電材料增強含硫厭氧消化的生物學機制尚未得到很好的分析。因此，課題組系統論述了導電材料在含硫厭氧消化中的促進作用，重點分析了導電材料改善含硫厭氧消化的機理，包括DIET、群體感應和提高微生物對硫化物的耐受性。DIET和群體感應之間的潛在聯系受到了特別關注。此外，還分析了與有機碳、硫和產甲烷代謝過程相關的關鍵基因和蛋白質的表達，以及硫酸鹽還原菌和產甲烷菌對導電材料添加的響應。最后，討論了克服含硫厭氧消化技術瓶頸的挑戰和注意事項。該工作對于闡明和指導導電材料改善含硫厭氧消化的生物學機制具有重要意義。相關成果發表在《Chemical Engineering Journal》上。
傳統的厭氧消化技術在處理含有高濃度硫酸鹽的有機廢水方面存在一定的局限性。硫酸鹽會刺激硫酸鹽還原菌的生長，硫酸鹽還原過程競爭性抑制CH4生成。此外，硫酸鹽還原過程會產生硫化物，進一步抑制產甲烷菌的活性，甚至導致厭氧消化系統的完全惡化。針對這一問題，課題組探究了添加顆粒活性炭（GAC）增強高濃度硫酸鹽有機廢水厭氧消化的可行性及其內在的驅動機制。結果表明，添加GAC提高了厭氧消化系統的穩定性、COD去除效率和CH4產量。GAC增強了微生物對硫化物的抗性和ETS活性。微生物群落和功能基因分析表明，GI-00000079-D21和Mestoga的富集，與糖酵解、丙酮酸代謝和產甲烷代謝有關。酶活性的增強，以及潛在的電活性微生物與甲烷菌之間DIET的改善是GAC提高產甲烷性能的重要原因。此外，GAC協同促進甲烷生成和硫酸鹽還原代謝，可能是因為Desulfovibrio和Methanosaeta參與了DIET互營代謝。本研究揭示了GAC增強高強度硫酸鹽有機廢水厭氧消化的內在驅動機制。相關成果發表在《Chemical Engineering Journal》上。
在含硫污泥的厭氧消化過程中，H2S的產生不僅抑制產甲烷菌的活性，還影響沼氣質量。針對這一問題，課題組探究了廢鐵屑（WSI）的添加對含硫厭氧消化過程中CH4生成和H2S控制的影響。結果表明，CH4產量的增加歸因于底物降解和可溶性有機物轉化的增強，而pH值和不溶性硫化物沉淀的增加是H2S產量降低的兩個主要原因。微生物群落結果表明，WSI的添加促進了關鍵細菌和氫營養型甲烷菌之間的互營作用。基因分析表明，鑒于ABC轉運蛋白、脂多糖生物合成、群體感應、雙組分系統和核糖體代謝途徑的增強，添加WSI促進了微生物之間的信息識別和物質交換，提高了厭氧系統中微生物的代謝活性。相關成果發表在《Journal of Water Process Engineering》上。
上述研究工作得到國家自然科學基金（51578068）的資助。
文章鏈接及基本信息如下：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144867：Le Chen, Yajie Zhang, Jinsong Liang, Yuehan Li, Jiasheng Zhang, Wei Fang, Panyue Zhang, Guangming Zhang, Huu Hao Ngo. Improvement of anaerobic digestion containing sulfur with conductive materials: Focusing on recent advances and internal biological mechanisms. Chemical Engineering Journal. 2023, 472, 144867
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146648：Le Chen, Ru Zhang, Yuehan Li, Yajie Zhang, Wei Fang, Panyue Zhang, Guangming Zhang. Internal driving mechanism of microbial community and metabolism for granular activated carbon enhancing high-strength sulfate organic wastewater anaerobic digestion. Chemical Engineering Journal. 2023, 476, 146648
https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2023.104230：Le Chen, Dong Xu, Jinsong Liang, Yajie Zhang, Wei Fang, Panyue Zhang, Guangming Zhang. New insight into effects of waste scrap iron on sludge anaerobic digestion: Performances, microbial community, and potential metabolic functions. Journal of Water Process Engineering. 2023, 55, 104230
