来源:Frontiers of Environmental Science & Engineering 发布时间:2022/7/21 13:33:39
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FESE | 前沿研究:制定提升有机废物厌氧产甲烷的“精准作用”策略——互营伙伴电子传递系统的启示

论文标题:Developing “precise-acting” strategies for improving anaerobic methanogenesis of organic waste: Insights from the electron transfer system of syntrophic partners(制定提升有机废物厌氧产甲烷的“精准作用”策略——互营伙伴电子传递系统的启示)

期刊:Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者:Lei Li, Shijie Yuan, Chen Cai, Xiaohu Dai

发表时间:15 Jun 2022

DOI:10.1007/s11783-021-1508-1

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原文链接(点击“阅读原文”直接获取)

https://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s1178-021-1508-1

文章出版:Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(6): 74

原文信息

题目:

Developing “precise-acting” strategies for improving anaerobic methanogenesis of organic waste: Insights from the electron transfer system of syntrophic partners

作者:

Lei Li1, Shijie Yuan1, Chen Cai1, Xiaohu Dai ()1,2

作者单位:

1 Tongji University, China

2 Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, China

通讯作者邮箱:

daixiaohu@tongji.edu.cn

关键词:Methanogenesis (产甲烷); Anaerobic digestion (厌氧消化); Enhancing strategy (强化策略); Electron transfer (电子传递); Organic waste (有机废物)

文章亮点

• 甲烷生成效率低严重限制了厌氧消化技术的发展;

• 传统的“广泛作用”策略无法直接有效地促进产甲烷;

• 高效电子传递系统驱动高效共生产甲烷过程;

• “精准作用”策略最大限度地提高了有机废物的资源利用率。

文章简介

随着世界经济的发展和人口的增长,每天都会产生大量的有机废物(OW)。在考虑无害化处理、资源回收和碳减排的背景下,厌氧消化(AD)是有机废物处理和能源化的重要过程。产甲烷是厌氧消化的最后一步,也是有机废物生物处理的限速步骤。甲烷生成效率低(甲烷产率低、甲烷产量低、甲烷含量低)极大限制了厌氧消化技术的发展。

为解决该问题,传统的研究重点聚焦于对有机废物性质的优化和生物刺激。一方面,采用多种预处理方法来增强复杂有机废物的增溶和转化。另一方面,通过生物刺激提高关键酶活性和缓解抑制效应,以增强产甲烷菌的代谢能力。然而,传统的预处理方法只能在一定程度上增强有机废物的增溶和水解,无法精准地为产甲烷提供合适的底物。常用的生物刺激策略也不能精准刺激产甲烷菌的代谢。更糟糕的是,预处理后氨氮等代谢物的浓度会显著增加,这将加剧对产甲烷菌活性的抑制。另外,在某些情况下,预处理过程中的物理和/或化学反应会产生新的难降解物质,这将进一步降低有机物转化率和甲烷产量。因此,预处理方法和生物刺激这些提升产甲烷效率的“广泛作用”策略对整个厌氧系统都有影响,不能有针对性地直接促进产甲烷过程。为了克服传统方法的瓶颈,需要进一步开发“精准作用”策略,即潜在的有针对性的产甲烷强化方法。

产甲烷过程代表了有机废物厌氧生物处理中碳流的一个重要部分,这需要产甲烷菌与降解功能菌建立共生关系,以实现连续的有机物转化。这种共营养的基本原理是实现氧化还原平衡,即产甲烷菌及其伙伴的氧化还原状态和能量平衡高度依赖于初始电子供体和末端电子受体的特性和可及性。通过可能的热力学反应,这种共营养伙伴可以节约大量能量。共生细菌和产甲烷菌可通过种间电子传递(IET)过程建立电子传递系统,但在互营产甲烷过程中电子载体的产生、分散和利用消耗了大量能量。而直接种间电子传递(DIET)可在共生菌和产甲烷菌间提供一种高效节能的电子传递过程,驱动高效共生产甲烷过程。因此我们提出,以高效电子传递拉动高效互营产甲烷,开发“精准作用”于互营产甲烷过程的电子传递调控策略。

基于这些原理,开发互营菌和产甲烷菌之间的高效电子传递系统非常重要,包括优化的电子供体(用于提高甲烷产量)、直接电子传递过程(用于提高甲烷产率)和适当的电子受体(用于提高甲烷含量)。首先,有针对性的发酵过程是有机废物成为最佳电子供体的必要条件。有机废物的发酵过程可通过设计特定的发酵微生物或微生物群落来实现,一些合成生物学、遗传学甚至基因编辑新方法可用于其中,阳极电控发酵技术极具前景。其次,可以进一步探索可回收或固定的导电材料和生物合成的导电菌毛,以稳定地应用于互营伙伴之间的直接电子传递过程。最后,生物电化学系统(BES)在厌氧产甲烷中的应用值得深入研究。生物电化学CO2还原产甲烷将发展成一个经济且有前景的将CO2升级为沼气的技术。通过这些过程的有效组合,可以成功地生产、分配和消耗电子,从而构建高效的电子传递系统(图1)。因此,可以构建一种有前途的高效产甲烷工艺,最大限度地提高有机废物的资源利用率。

文章摘要图

编委点评

本文从生物电子流动和能量转移角度重新审视了传统的产甲烷过程,提出了“精准作用”于微生物电子传递方式,从而突破有机物产甲烷低效的关键技术瓶颈。作者提出了全程提效的策略,即电促定向发酵耦合直接种间电子传递的微生物产能新模式,结合快速发展的多学科工具构建生物电子传递通道,相信未来厌氧产甲烷技术会实现飞跃式的发展。

编者 | 廖承美

点评 | 王鑫

致 谢

王鑫,南开大学环境工程系教授, FESE青年编委。研究方向为污水处理及资源化,主持国家优秀青年科学基金等项目,在Environ. Sci. Technol., Water Res.等期刊发表论文100余篇。个人主页:

https://env.nankai.edu.cn/2019/0612/c14180a178062/page.htm

廖承美,女,32岁,南开大学环境科学与工程学院助理研究员,合作导师为王鑫教授,研究方向为微生物电化学系统生物阴极的电子传递及应用。

摘要

Methanogenesis is the last step in anaerobic digestion, which is usually a rate-limiting step in the biological treatment of organic waste. The low methanogenesis efficiency (low methane production rate, low methane yield, low methane content) substantially limits the development of anaerobic digestion technology. Traditional pretreatment methods and bio-stimulation strategies have impacts on the entire anaerobic system and cannot directly enhance methanogenesis in a targeted manner, which was defined as “broad-acting” strategies in this perspective. Further, we discussed our opinion of methanogenesis process with insights from the electron transfer system of syntrophic partners and provided potential targeted enhancing strategy for high-efficiency electron transfer system. These “precise-acting” strategies are expected to achieve an efficient methanogenesis process and enhance the bio-energy recovery of organic waste.

期刊简介

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中13种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。

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