铁碳复合材料促进富蛋白底物厌氧消化过程中含氮物质的转化及其机制研究

为解决富蛋白底物厌氧消化(AD)中氨抑制和有机氮转化效率低的问题，研究人员通过球磨法制备铁碳复合材料(ZVI/BCbm)，系统探究其对甲烷产量及氮代谢的影响。结果表明，ZVI/BCbm通过协同效应使可溶性蛋白降解率和氨化率分别提升40.89%和26.99%，并显著富集Tissierella(12.16%)和Methanosarcina(69.92%)菌属。该研究为蛋白质废弃物资源化提供了新策略。

　　

餐厨垃圾作为典型富蛋白固体废弃物，其厌氧消化(Anaerobic Digestion, AD)过程常面临氨抑制和有机氮转化效率低的双重挑战。传统导电材料虽能缓解氨抑制，但对含氮物质转化机制尚不明确，且存在制备复杂、成本高等问题。针对这一现状，同济大学环境污染控制与资源化研究国家重点实验室的研究团队创新性地采用球磨法制备铁碳复合材料(ZVI/BC^bm)，系统揭示了其在AD过程中对氮代谢的调控机制，相关成果发表在《Bioresource Technology》上。

研究团队通过扫描电镜(SEM)、比表面积分析(BET)等技术表征材料特性，结合宏基因组学和代谢通路分析，采用批次实验评估ZVI/BC^bm对鸡胸肉浆（模拟富蛋白底物）AD过程的影响。关键技术包括：微生物群落结构分析（16S rRNA测序）、三相（液/固/气）物质转化监测、以及基于KEGG数据库的代谢功能注释。

Characterization of the conductive materials
球磨法制备的ZVI/BC^bm展现出独特的铁-碳协同形貌：零价铁(ZVI)颗粒（约100μm）与生物炭(BC)的蜂窝状多孔结构（比表面积803.85 m²·g^-1）通过机械力化学作用紧密结合，形成丰富的活性位点。

Effects on methane production and organic matter degradation
添加ZVI/BC^bm使甲烷产量提升38.7%，同步提高可溶性蛋白降解率（+40.89%）和氨化率（+26.99%）。三维荧光光谱显示，该材料有效抑制液相中类蛋白/类腐殖质物质的聚合。

Microbiological analysis
微生物α多样性指数（Shannon指数）显著增加，其中蛋白水解菌Tissierella相对丰度达12.16%，产甲烷菌Methanosarcina占比飙升至69.92%。代谢通路分析表明，ZVI/BC^bm上调了氨基酸代谢（ko00250）、乙酸代谢（ko00625）和甲烷生成（ko00680）相关基因表达。

Nitrogen transformation mechanism
ZVI/BC^bm通过双重作用调控氮流向：一方面促进蛋白质/氨基糖类物质降解为氨基酸，另一方面抑制液相有机氮的再聚合。固相残留物中难降解组分占比达73.5%，证实其优先利用易/中降解组分的特点。

该研究创新性地提出"材料-微生物-代谢"三位一体的调控机制：ZVI/BC^bm不仅作为电子桥梁强化种间直接电子传递(DIET)，其铁组分还参与关键酶（如氢化酶）的合成，而BC的多孔结构为微生物提供了微生态位。这种协同作用使有机氮向氨氮的转化效率提升26.99%，同时将传统AD中低于50%的蛋白降解率突破至82.3%，为高氮有机废物的高效资源化提供了理论依据和技术支撑。研究结果对实现"双碳"目标下的废弃物能源化利用具有重要实践意义。