畜禽糞便、餐廚垃圾等富氮有機廢棄物厭氧發酵過程中常發生氨抑制，導致產甲烷性能下降。為深入揭示氨抑制機理，中國科學院廣州能源研究所生物質能生化轉化研究室在階梯性提高氨濃度的厭氧發酵過程中，從產氣性能、關鍵產甲烷反應的吉布斯自由能、能量及物質流動、微生物群落演替及微生物電子傳遞活性等方面全面揭示了氨抑制機理。研究發現，隨著氨濃度增加，甲烷產量降低，發酵體系內揮發性脂肪酸積累，丙酸、丁酸降解甲烷化反應的吉布斯自由能變值升高，由發酵原料流向甲烷的能量顯著減少（圖1）。
圖1氨對厭氧發酵產氣性能、關鍵反應自由能、能量及物質流動的影響
此外，產酸菌的相對豐度顯著高于產甲烷菌；ATP合成酶的基因豐度顯著上升且大分子運輸相關基因豐度上升，表明高氨濃度下電化學梯度產ATP途徑減弱，細菌底物水平磷酸化產ATP途徑增強（圖2）；且產酸到產甲烷過程相關電子轉移的基因豐度顯著下降，限制了微生物間電子互營的效率，這是導致揮發性脂肪酸累積和甲烷產量降低的主要原因。基于以上發現，推測高濃度氨主要抑制了有機廢棄物甲烷化過程的微生物電子傳遞效率。因此，向發酵系統內補充電子具有緩解氨抑制和提高發酵效率的潛能。
圖2. 氨抑制對微生物電子傳遞活性的影響
以上研究成果以Effect of ammonia on anaerobic digestion: focusing on energy flow and electron transfer為題發表于Chemical Engineering Journal，郭穎副研究員及碩士畢業生肖凡為共同第一作者，通訊作者為李穎研究員。研究得到中國科學院青年創新促進會、國家自然科學基金面上等項目資助。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723033697
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