原文信息

　　題目：

　　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

　　作者單位：

　　1 Tongji University, China

　　2 Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, China

　　通訊作者郵箱：

　　daixiaohu@#edu.cn

　　關(guān)鍵詞：

　　Methanogenesis (產(chǎn)甲烷); Anaerobic digestion (厭氧消化); Enhancing strategy (強化策略); Electron transfer (電子傳遞); Organic waste (有機廢物)

文章亮點

　　•甲烷生成效率低嚴重限制了厭氧消化技術(shù)的發(fā)展；

　　•傳統(tǒng)的“廣泛作用”策略無法直接有效地促進產(chǎn)甲烷；

　　•高效電子傳遞系統(tǒng)驅(qū)動高效共生產(chǎn)甲烷過程；

　　•“精準作用”策略最大限度地提高了有機廢物的資源利用率。

文章簡介

　　隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長，每天都會產(chǎn)生大量的有機廢物（OW）。在考慮無害化處理、資源回收和碳減排的背景下，厭氧消化（AD）是有機廢物處理和能源化的重要過程。產(chǎn)甲烷是厭氧消化的最后一步，也是有機廢物生物處理的限速步驟。甲烷生成效率低（甲烷產(chǎn)率低、甲烷產(chǎn)量低、甲烷含量低）極大限制了厭氧消化技術(shù)的發(fā)展。

　　為解決該問題，傳統(tǒng)的研究重點聚焦于對有機廢物性質(zhì)的優(yōu)化和生物刺激。一方面，采用多種預處理方法來增強復雜有機廢物的增溶和轉(zhuǎn)化。另一方面，通過生物刺激提高關(guān)鍵酶活性和緩解抑制效應，以增強產(chǎn)甲烷菌的代謝能力。然而，傳統(tǒng)的預處理方法只能在一定程度上增強有機廢物的增溶和水解，無法精準地為產(chǎn)甲烷提供合適的底物。常用的生物刺激策略也不能精準刺激產(chǎn)甲烷菌的代謝。更糟糕的是，預處理后氨氮等代謝物的濃度會顯著增加，這將加劇對產(chǎn)甲烷菌活性的抑制。另外，在某些情況下，預處理過程中的物理和/或化學反應會產(chǎn)生新的難降解物質(zhì)，這將進一步降低有機物轉(zhuǎn)化率和甲烷產(chǎn)量。因此，預處理方法和生物刺激這些提升產(chǎn)甲烷效率的“廣泛作用”策略對整個厭氧系統(tǒng)都有影響，不能有針對性地直接促進產(chǎn)甲烷過程。為了克服傳統(tǒng)方法的瓶頸，需要進一步開發(fā)“精準作用”策略，即潛在的有針對性的產(chǎn)甲烷強化方法。

　　產(chǎn)甲烷過程代表了有機廢物厭氧生物處理中碳流的一個重要部分，這需要產(chǎn)甲烷菌與降解功能菌建立共生關(guān)系，以實現(xiàn)連續(xù)的有機物轉(zhuǎn)化。這種共營養(yǎng)的基本原理是實現(xiàn)氧化還原平衡，即產(chǎn)甲烷菌及其伙伴的氧化還原狀態(tài)和能量平衡高度依賴于初始電子供體和末端電子受體的特性和可及性。通過可能的熱力學反應，這種共營養(yǎng)伙伴可以節(jié)約大量能量。共生細菌和產(chǎn)甲烷菌可通過種間電子傳遞（IET）過程建立電子傳遞系統(tǒng)，但在互營產(chǎn)甲烷過程中電子載體的產(chǎn)生、分散和利用消耗了大量能量。而直接種間電子傳遞（DIET）可在共生菌和產(chǎn)甲烷菌間提供一種高效節(jié)能的電子傳遞過程，驅(qū)動高效共生產(chǎn)甲烷過程。因此我們提出，以高效電子傳遞拉動高效互營產(chǎn)甲烷，開發(fā)“精準作用”于互營產(chǎn)甲烷過程的電子傳遞調(diào)控策略。

　　基于這些原理，開發(fā)互營菌和產(chǎn)甲烷菌之間的高效電子傳遞系統(tǒng)非常重要，包括優(yōu)化的電子供體（用于提高甲烷產(chǎn)量）、直接電子傳遞過程（用于提高甲烷產(chǎn)率）和適當?shù)碾娮邮荏w（用于提高甲烷含量）。首先，有針對性的發(fā)酵過程是有機廢物成為最佳電子供體的必要條件。有機廢物的發(fā)酵過程可通過設(shè)計特定的發(fā)酵微生物或微生物群落來實現(xiàn)，一些合成生物學、遺傳學甚至基因編輯新方法可用于其中，陽極電控發(fā)酵技術(shù)極具前景。其次，可以進一步探索可回收或固定的導電材料和生物合成的導電菌毛，以穩(wěn)定地應用于互營伙伴之間的直接電子傳遞過程。最后，生物電化學系統(tǒng)（BES）在厭氧產(chǎn)甲烷中的應用值得深入研究。生物電化學CO2還原產(chǎn)甲烷將發(fā)展成一個經(jīng)濟且有前景的將CO2升級為沼氣的技術(shù)。通過這些過程的有效組合，可以成功地生產(chǎn)、分配和消耗電子，從而構(gòu)建高效的電子傳遞系統(tǒng)（圖1）。因此，可以構(gòu)建一種有前途的高效產(chǎn)甲烷工藝，最大限度地提高有機廢物的資源利用率。

圖片文章摘要圖

編委點評

　　本文從生物電子流動和能量轉(zhuǎn)移角度重新審視了傳統(tǒng)的產(chǎn)甲烷過程，提出了“精準作用”于微生物電子傳遞方式，從而突破有機物產(chǎn)甲烷低效的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。作者提出了全程提效的策略，即電促定向發(fā)酵耦合直接種間電子傳遞的微生物產(chǎn)能新模式，結(jié)合快速發(fā)展的多學科工具構(gòu)建生物電子傳遞通道，相信未來厭氧產(chǎn)甲烷技術(shù)會實現(xiàn)飛躍式的發(fā)展。

　　編者|廖承美

　　點評|王鑫

致  謝

　　王鑫，南開大學環(huán)境工程系教授， FESE青年編委。研究方向為污水處理及資源化，主持國家優(yōu)秀青年科學基金等項目，在Environ. Sci. Technol., Water Res.等期刊發(fā)表論文100余篇。個人主頁：

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

　　廖承美，女，32歲，南開大學環(huán)境科學與工程學院助理研究員，合作導師為王鑫教授，研究方向為微生物電化學系統(tǒng)生物陰極的電子傳遞及應用。