《厭氧消化中直接種間電子傳遞的新路徑及其作用》是依託大連理工大學,由張耀斌擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：厭氧消化中直接種間電子傳遞的新路徑及其作用
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張耀斌
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
地桿菌與發酵微生物之間直接種間電子傳遞(DIET)的發現，突破了厭氧消化以氫為電子傳遞載體的傳統認識，開啟了高效厭氧消化的新思路。但是，目前被證實具有DIET功能的微生物僅限於以乙醇為電子供體的幾對微生物。前期研究顯示，導體材料對混菌體系DIET的促進，可大幅增加甲烷產量。顯然，混菌下如此明顯的DIET是不可能單獨由幾株微生物完成的。我們推測，厭氧微生物及其代謝底物的多樣性，為更多種類微生物和底物參與到DIET，提供很大可能。基於此，本課題擬開展厭氧消化中DIET新路徑及其作用研究。主要內容包括：(1)厭氧消化中具有DIET功能微生物的富集與作用規律；(2) DIET微生物的分離提純與功能的初步確認；(3) DIET新路徑的電子傳遞的再確認；(4)厭氧消化中DIET的作用規律及其調控。通過以上研究，期待揭示厭氧消化中微生物DIET原理和作用規律，為進一步提升厭氧消化技術水平提供科學支持。
結題摘要
目前我國厭氧消化系統基本都按照水解酸化-產甲烷理論設計，其實質是以氫氣為電子載體的種間氫擴散傳遞(IHT)。由於酸化菌和產甲烷菌的代謝速度不一，易出現酸性積累和氫分壓上升，使產甲烷停頓，乃至厭氧失敗。本項目試圖在厭氧系統下開闢一種全新的產甲烷方式：有機物通過異化鐵還原菌的氧化，產生的電子通過其胞外傳遞至產甲烷菌，產甲烷菌接受電子還原CO2為甲烷，即直接種間電子傳遞(DIET)。這種產甲烷方式於2012年被美國微生物學家在兩株地桿菌和甲烷菌、簡單單一底物的體系下發現。但這兩株純菌在複雜底物、混菌的厭氧體系下豐度很低，無法支撐起有效的DIET。本項目率先開展厭氧系統的DIET研究，發現在傳統厭氧系統(包括微生物電化學系統)中存在不同程度的DIET方式。創新性的從以下方面構建該新型產甲烷。電子受體端：採用Fe(III)氧化物富集異化鐵還原菌，為DIET提供微生物條件，地桿菌豐度提高20%，甲烷產率提高20-40%。電子連線方式：利用碳導體材料、磁鐵礦、電子穿梭體等，橋接鐵還原菌與甲烷菌間的電子交換，在氫分壓上升導致水解酸化產甲烷受阻時，仍能維持系統正常運行。電子供體端：考慮到乙醇氧化釋放熱量較高，提出對有機底物進行乙醇型發酵預處理，預處理後進入甲烷段的進料中含有5%-10%乙醇，卻增加甲烷產率50%-80%。另一方面，發現DIET產甲烷的胞外電子傳遞機制，在電勢刺激下，蛋白質的電改性可有效富集具有胞外電子傳遞功能的微生物。在以上基礎上，通過DIET與IHT的耦合，大幅改善厭氧消化效能。本項目在新型厭氧產甲烷及胞外電子傳遞機制方面取得重要突破，解決了制約厭氧消化套用中的重大科學技術問題。在Nat Comm、Water Res等SCI期刊上發表論文21篇，其中第一標註19篇。受到國內外同行的高度關注和積極評價。以本項目為主要內容的成果獲得兩項省部級科技一等獎（均為第二完成人），獲得興遼英才科技創新領軍人才(遼寧特聘教授)稱號，成果套用於城市污泥厭氧甲烷化、廢水厭氧處理工程中。
