通讯作者：潘小芳，叶志隆
通讯单位：中国科学院城市环境研究所
https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122619• 证实了高氨胁迫会抑制常温产酸系统的产酸性能。
• 驯化污泥能够促进高氨胁迫下常温产酸系统的产酸能力。
• 驯化污泥和纳米零价铁（nZVI）的联用提升了系统酸化率并优化了产酸结构。
• 单独添加nZVI并不能有效缓解常温产酸相的高氨胁迫。
• 驯化污泥和纳米零价铁（nZVI）的联用通过提升产酸菌群的丰度缓解了高氨抑制。
在产酸功能菌群占主导的厌氧产酸相系统中，高氨胁迫会影响产酸发酵菌群的群落结构，进而改变产酸发酵类型，导致多碳VFAs的积累，从而影响厌氧系统的稳定运行。纳米零价铁（nZVI），作为一种还原性的金属纳米材料，具有比ZVI高得多的比表面积，常用于强化有机物厌氧产甲烷的研究中。nZVI可以释放Fe2+进入到厌氧系统中，Fe2+能够进一步降低厌氧系统的ORP值，从而提供一个更加严格的厌氧环境。此外，Fe2+可以参与厌氧微生物产酸过程中关键功能酶的合成，是一种重要的微量元素。本研究采用批次实验的方式，构建了包含对照组（SControl）、纳米零价铁（nZVI）添加组（SnZVI）、污泥驯化组（SDomesticated）以及污泥驯化和nZVI联用组（SDomesticated+nZVI）的四组批次实验。其中，驯化污泥取自运行时间为182天，同型产乙酸菌占主导的常温产酸相反应器（运行温度T=24±1℃）（Lv et al., 2023），原始污泥取自传统的中温厌氧系统（运行温度T=35±1℃）。每一组以葡萄糖为底物，添加浓度为0，1.0，3.0和5.0 g NH4+/L的氯化铵，以研究不同浓度NH4+-N对富集前后的产酸相VFAs的产生带来的影响。同时，在SnZVI和SDomesticated+nZVI中，添加0.25 g的nZVI（99.9%，100 nm，Sigma），以探究导电材料的添加对产酸相系统VFAs产生的调控以及对高氨抑制的缓解作用（图1）。图1 图文摘要
在SControl（图2（a））中，随着氨浓度的升高，明显降低了常温产酸相系统的产酸速率，且在5.0 g NH4+/L时，乙酸浓度从533.80 mg HAc/L（0 g NH4+/L）降低到213.90 mg HAc/L（5.0 g NH4+/L），说明高氨胁迫明显抑制了常温产酸系统的产酸性能。然而，在高氨胁迫下，SnZVI并没有明显提升VFAs的产率（图2（b））。与此同时，在高氨胁迫下，TVFAs的浓度在SDomesticated和SDomesticated+nZVI中均有明显的提升（图2（c）和图2（d））。由此可见，相较于SControl，SDomesticated和SDomesticated+nZVI能够显著增强产酸系统的耐高氨性能，尤其是在5.0 g NH4+/L的高氨浓度下。此外，SDomesticated+nZVI进一步促进了甲酸等小分子VFAs的产生。由于甲酸等小分子VFAs更容易被产甲烷菌所利用，SDomesticated+nZVI优化了产酸相系统的产酸结构，为后续的产甲烷相系统提供更加优质的底物。![]()
图2 在不同组的VFAs产生情况：对照组（a），对照 + nZVI组（b），驯化组（c），驯化 + nZVI组（d）
除VFAs外，乙醇是产酸发酵阶段的另一种重要产物，并且由于其热值较高，被普遍视为一种高效的基质。如图3（a）-（b）所示，在SControl中，乙醇的产量相对较低，在0.0和1.0 g/NH4+/L的条件下几乎不产生乙醇，在3.0 g NH4+/L时，在第72 h达到最大值，为160.06
mg/L。同时，添加nZVI能促进乙醇的生成，在1.0 g NH4+/L条件下，在第72 h时，SnZVI中乙醇产量达到最大值，为235.21 mg/L。如图3（c）-（d）所示，与SControl和SnZVI相比，在SDomesticated和SDomesticated+nZVI中，乙醇的产量得到了明显的提升，提升到约500-600 mg/L。之前的研究表明，乙醇作为厌氧消化过程产酸发酵和产乙酸过程的重要中间产物，与其它VFAs相比，乙醇更容易被互营乙酸氧化菌和产甲烷菌利用。图3 不同组的乙醇产生情况：对照组（a），对照 +
nZVI 组（b），驯化组（c），驯化 +
nZVI组（d）
如图4（a）所示，NH4+浓度的升高会明显抑制常温产酸相系统的生物气产量（SControl）。由于产酸相系统中产酸和产气的相关性，系统产酸也受到了明显抑制。与SControl类似的是，SnZVI的产气量仍旧受到高氨胁迫的抑制（图4（b））。此外，随着nZVI的添加，在SnZVI和SDomesticated+nZVI中，CO2的产量下降明显。值得注意的是，与SControl相比，SDomesticated和SDomesticated+nZVI中的产气量受到的高氨胁迫的影响较小。尤其是在高氨胁迫下，H2在SDomesticated+nZVI中有着最大的产量，产生的H2能够消耗CO2产生甲酸。图4 不同组的产气量变化：对照组（a），对照 +
nZVI组（b），驯化组（c），驯化 +
nZVI（d）
从微生物群落结构来看（图5），与SDomesticated和SDomesticated+nZVI相比，产酸菌Clostridium_sensu_stricto_1在SControl和SnZVI的相对丰度在高氨胁迫下下降明显，从而导致H2和VFAs产量的下降。有趣的是，包括Bifidobacterium, Solobacterium, Lactococcus和unclassified_f_Paludibacteraceae Solobacterium等产酸菌的相对丰度在SDomesticated或SDomesticated+nZVI中均有着较高的丰度，且在高氨胁迫下仍具有很高的丰度。Bifidobacterium,Lactococcus和unclassified_f_Paludibacteraceae，这3种菌可以将复杂的有机物转化为VFAs。Solobacterium是负责产乙酸的关键功能菌，其丰度的上升促进了高氨胁迫下SDomesticated中乙酸产量的提升。除此之外，负责产氢和产乙醇的功能菌Ethanoligenens只在SDomesticated和SDomesticated+nZVI中检测到，在SControl和SnZVI中则基本检测不到Ethanoligenens。这一结果也与之前讨论的H2和乙醇的产量在SDomesticated和SDomesticated+nZVI中较高这一结论相符合。![]()
图5 不同组中细菌和古菌分别在门水平（a）和属水平（b）的分布和相对丰度从产酸发酵代谢路径和相关的功能酶的相对丰度来看（图6）。相较于SControl和SnZVI，SDomesticated以及SDomesticated+nZVI提升了乙酸、甲酸和乙醇等代谢途径中相关功能酶编码基因的丰度，增强了高氨胁迫下相关功能酶的活性。与此同时，SDomesticated和SDomesticated+nZVI降低了与丁酸代谢途径相关的功能酶编码基因的丰度，从而限制了常温产酸相系统中丁酸等3碳及以上VFAs的产生。图6不同组产酸代谢路径及其相关功能酶编码基因的相对丰度差异
本研究采用批次实验的形式，研究不同的NH4+-N浓度对产酸相系统的产酸代谢过程的影响。此外，构建了3种不同的缓解高氨胁迫的策略，系统研究了3种策略对常温产酸系统产酸过程的影响以及对高氨胁迫的缓解作用并探讨了背后的机制。为提高氨胁迫下常温产酸系统的产酸性能提供了一种新的实用策略。
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叶志隆，博士，中国科学院城市环境研究所研究员，博士生导师。城市环境工程与循环经济研究中心主任。在Water Research、Chemical Engineering Journal等国内外主流期刊上发表论文80余篇。申请专利10余件，其中授权专利10件。作为项目负责人承担国家重点研发课题、国家自然科学基金、国家“863”计划子课题、科技部国际合作专项的任务、福建省科技项目、厦门科技计划和企业技术研发项目20余项。入选福建省、厦门市高层次人才。研究领域包括废水养分资源回收、垃圾渗滤液污染控制、固体废弃物处置。
通讯邮箱：zlye@iue.ac.cn
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