本文采用黄海夏季绿潮浒苔作为废弃有机质制备了浒苔水热炭，系统研究了Fe 及Co 改性浒苔水热炭（Fe-HC，Co-HC）的特性，探讨了其对鸡粪单独发酵受抑制下的强化作用。通过量效关系及构效关系详细阐明了Fe/Co 改性水热炭对高浓度磺胺二甲嘧啶（SMZ）抑制下鸡粪厌氧消化的影响，实验证明Fe-HC 和Co-HC 分别使厌氧发酵系统酸化效率提高了1.25倍和1.58倍。与相同剂量Fe-HC 相比，Co-HC 显著增强了产甲烷和产酸过程。最佳剂量Co1.5-HC 在产甲烷效率上比对照组提高了24%，SMZ 去除率增加了15%。这可归因于Co-HC 具有更丰富的氧和氮官能团，以及卓越的电子交换能力（EDC、EAC），显著促进了Mesotoga、Syntrophomonas 及其他互营菌与产甲烷菌之间的互养代谢活力。微生物组演替评估显示，Co-HC 添加组中的互营细菌丰度上升，促进直接种间电子转移（DIET）并随后增强生物甲烷的产生。功能基因分析表明Co1.5-HC 组中，与产甲烷代谢及电子转移相关基因（mtrA）丰度上调76%，显著促进了SMZ 的厌氧生物转化，提升了63%的抗生素抗性基因（ARGs：sul1 和 sul2）消除率，降低了抗性基因的传播风险。本研究为水热炭在高浓度SMZ 的厌氧消化中的协同增效机制提供了新见解，拓宽了水热炭在处理高浓度抗生素的应用，也为解决新污染物带来的挑战提供了理论基础和实践经验。
图1. 图文摘要
图2. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）图（a）；HC、Fe1.5-HC 和 Co1.5-HC 的X 射线光电子能谱图（XPS），全光谱图（d）、C1s（b）、N1s（c）、O1s（e）、Fe 2p（f）和Co 2p（g）。
图3. 微生物群落属水平（a）、门水平（b）丰度分析；操作条件对钴改性水热炭介导的微生物群落演替影响的 Mental 分析（c）；E：电活性细菌；AM：乙酸营养型产甲烷菌；HM：氢营养型产甲烷菌；SMZ:SMZ 降解菌；SY：合养细菌。
浒苔基水热炭改善了高浓度磺胺二甲嘧啶抑制下鸡粪的厌氧消化性能。
Co-HC 拥有丰富的吡啶-N、石墨-N 和C-O 等官能团以及更高的电子交换能力。
相同剂量下Co-HC 在增强甲烷生成和酸化生成方面优于Fe-HC。
添加1.5 mmol L-1的Co-HC 显著增强了SMZ 厌氧生物转化并同步降低了ARGs(sul1，sul2)。
Co-HC 显著上调了跨呼吸链传播（mtrA）基因并促进了微生物组之间的DIET 合作。
水热炭的添加显著促进了VFAs（尤其是乙酸）的产生，提升了酸化效率，为甲烷的产生提供了更多底物。
Co-HC 增强了EPS 蛋白、黄腐酸和腐殖酸分泌，增强了厌氧微生物对高浓度SMZ 的耐受性，降低了抗性基因（sul1、sul2）丰度。
互营菌（Mesotoga 和Syntrophomonas）和产甲烷菌（Methanosaeta、Methanobacterium、Methanolinea 和Methanosarcina）与Co1.5-HC 添加呈显著性正相关。
Co-HC 具有丰富的含氧、含氮官能团及较强的得失电子能力，上调了电子传递链相关基因丰度，促进了种间电子转移。
柳宇彤（第一作者）
山东大学环境科学与工程学院
硕士研究生，主要从事新污染物对甲烷发酵抑制及恢复研究。
牛启桂（通讯作者）
山东大学环境科学与工程学院
副教授，博士生导师。聚焦环境领域的废弃物无害化、资源化及其清洁生产的前沿研究，长期致力于有机废水及固废高值资源化转化机制与应用研究，主要方向为低碳-负碳生物技术，厌氧产氢-产甲烷-产甲醇、微生物代谢毒理学等。
https://link.springer.com/article/10.1007/s42773-024-00390-7
