摘要
城市有机固体废物在全世界范围内广泛存在，其排放量的逐年增加严重威胁着生态系统和人类健康。而餐厨垃圾作为城市有机固体废物的主要组成部分之一，具有高含水量和丰富的有机物浓度。利用餐厨垃圾进行厌氧消化从中回收可再生能源（如生物甲烷）成为了极有潜力的手段，这种方式能够实现餐厨垃圾生物质的资源化，减少碳排放，符合我国实现“碳中和”和“碳达峰”的战略要求。然而这类生物质由于易于消化，水解迅速，高负荷运行情况下系统酸化过程快，而脂肪酸转化为甲烷的进程受限，在我国规模化产沼气工程中的实际效果并不理想，因此需要对该技术进行有效优化。鉴于此，本文选择模拟餐厨垃圾作为研究底物，探究了联合添加少量过氧化钙（CaO2）和磁铁矿对有机质厌氧甲烷转化的影响 本文首先提出了将少量CaO2和磁铁矿联合添加的厌氧消化调控策略，用以增强餐厨垃圾厌氧消化性能，并对比了不添加任何外源添加剂、单独添加CaO2或磁铁矿下的餐厨垃圾厌氧消化效能。研究发现在有机物负荷为2.5g VS/L/d的情况下，通过添加0.01g/L CaO2和0.4g/L的磁铁矿，日均比甲烷产量从333.9mL CH4/g VS增加到423.4mL CH4/g VS，有效将餐厨垃圾的甲烷生产率提高了26.8%。联合使用CaO2和磁铁矿显著增强了微生物的水解酶、产酸酶、F420酶和电子传递酶的活性。CaO2和磁铁矿提供的微氧-导电环境刺激了兼性细菌的生长，调节了甲烷菌的丰度，提高了整体的细胞活性。通过宏基因组学的分析发现反应器内总体微生物的水解和产酸途径的基因表达，加速了TCA循环，强化了能量代谢途径，导致了微生物的适应和群落结构的优化。微生物在CaO2和磁铁矿的合作环境中进化出独特的适应机制，因为它们的能量代谢模式结合了单独添加CaO2或磁铁矿模式下的能量代谢模式。在磁铁矿和CaO2的共同作用下，细菌和古菌之间建立了良好的互营关系从而提升了厌氧消化的总体效能。 本文之后在建立了宏基因组数据库的基础上，使用宏蛋白组学分析手段研究少量CaO2和磁铁矿共同调控下不同微生物中差异蛋白的特异性调控，寻找被显著调节的活性功能微生物，以进一步阐明微生物如何适应环境并提高餐厨垃圾产甲烷效能的内在机制。研究发现一种未分类的隶属于绿弯菌门（Chloroflexi）的菌属u_p_Chloroflexi在CaO2和磁铁矿的耦合环境下是受调控最为有效的兼性细菌，其中更多的蛋白质表达被高度上调。这类菌属可以在短暂的有氧呼吸和无氧呼吸之间交替，将更多的大分子有机物分解成CO2、乙酸盐、氨基酸和其他物质。CaO2和磁铁矿耦合环境下，除了微量CaO2创造的微氧条件外，铁离子释放并产生自由基。u_p_Chloroflexi中抗活性氧(ROS)蛋白的表达增加，通过使用高表达的细胞色素C形成呼吸屏障，并提升了铁运输能力以适应环境和自我保护。此外，该属通过产生生物膜、胞外酶和加速底物运输来感知和适应周围环境。甲烷丝菌属（Methanothrix）和甲烷微球菌属（Methanomicrobiales）是最主要和受显著调节的产甲烷古菌，甲烷代谢相关蛋白表达上调，通过形成ROS清除剂和减少铁转运作为抗氧化机制来保护自己免受氧化损伤。u_p_Chloroflexi菌属与产甲烷古菌形成了种间直接电子传递（DIET），建立了良好的协作关系。
NETL