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通讯作者：赵建伟 副教授，孙英杰 教授
通讯单位：青岛理工大学环境与市政工程学院
https:///10.1016/j.cej.2024.155951
· DDB-Co加速了VFA的转化，从而提高了沼气产量。
· DDB上调了与甲烷产生相关的关键功能基因的丰度。
图片摘要
近日，青岛理工大学环境与市政工程学院孙英杰教授、赵建伟副教授团队在化学领域著名学术期刊Chemical Engineering Journal上发表了题为“Cobalt-modified digestate-derived biochar enhances kitchen waste anaerobic dry digestion：Performance，microbial mechanisms，and metabolic pathways”的学术论文。文中首次制备了钴改性沼渣衍生生物炭（DDB-Co），研究了DDB-Co对餐厨垃圾（KW）干式厌氧消化的影响，作者从性能提升、微生物机制和代谢途径三个方面进行了详细分析，并阐明了其潜在作用机制。该项工作拓展了沼渣的高值化利用途径，并为餐厨垃圾的高效资源回收提供了另一种解决方案。
1 引言
随着全球人口增长和城市化加速，餐饮业和家庭产生的餐厨垃圾（KW）激增，对环境和资源造成重大负担。全球每年产生超过13亿吨KW，预计到2025年将达到22亿吨。KW含有大量易降解有机物，若处理不当，会对环境和公共健康造成危害。厌氧消化（AD）被提议作为一种经济有效的废物处理和可再生能源生产技术。相比传统湿消化，干消化（总固体≥15%）具有更高的沼气产量、较少的沼液产生和更强的抗冲击能力，但也面临消化产物多和易酸化等挑战。近期，针对防止过度酸化和提高高价值能源回收的努力受到了人们的广泛关注。
生物炭是通过生物质热解生成的低成本碳富集产品，能够增强AD系统的效率和稳定性。添加生物炭可以缩短甲烷产生滞后期，缓解毒素抑制，优化微生物群落结构。消化产物是AD的富营养副产品，含碳量15%至55%不等，是生物炭生产的理想原料。
然而，迄今为止，关于钴改性沼渣衍生生物炭（DDB-Co）对KW干式消化的影响的研究很少。此外，DDB-Co对有机物生物转化模式、微生物群落特征和关键功能基因的影响尚未得到探索。因此，本研究首次制备了钴改性的沼渣衍生生物炭（DDB-Co），并探讨了其对KW干式消化的影响及其微生物机制。研究主要关注以下三点：（1）通过热解法制备沼渣基生物炭，成功负载钴，并比较DDB和DDB-Co的理化特性；（2）探索DDB-Co对KW干AD的宏观效果；（3）利用宏基因组分析阐明DDB-Co增强KW干式消化的微生物机制。研究结果为沼渣原位处理和KW高价值能源回收提供了技术参考。
2 图文导读
图1 DDB-Co的制备过程（a）、SEM和EDS的扫描表征（b）
图2 钴改性生物炭前后的XRD（a）、傅立叶变换红外光谱（b）、XPS分析（c）、C 1 s（d）、O 1 s（e）和Co 2p（f）光谱分析。
图3 DDB-Co对KW干法消化系统中累积沼气产量（a）、日沼气产量（b）、NH4+-N（c）、SCOD（d）、SPN（e）和SPS（f）浓度的影响。误差条代表三次测量的标准偏差。
图4 消化液中DOM的三种PARAFAC荧光成分的特征
图5 DDB-Co对餐厨垃圾干式消化过程中TVFA和各成分含量的影响。误差条代表三次测量的标准偏差 。
图6 DDB-Co对厌氧消化过程中微生物多样性和群落特征的影响。细菌α多样性指数（a）门水平上细菌微生物丰度热图（b）属水平上细菌微生物群落的Circos图（c）古菌群落的Circos图（d）
图7 本研究中 DDB-Co增强KW干消化的可能机理
图8 基于KEGG数据库分类的功能基因和代谢途径。第1级分类的基因相对丰度（a）。新陈代谢中基因的相对丰度（b）。糖酵解、氨基酸降解和丙酮酸代谢的通路图（c）。与糖酵解、氨基酸降解和丙酮酸代谢有关的功能基因数量（d）甲烷生成的途径图（e）。甲烷生成途径中功能基因的相对丰度（f）。
本研究首次创造性地制备了DDB-Co，并将其用于提高 KW 干式消化。添加4.0 g/L DDB-Co能显著提高沼气产量，达到205.3 mL/（g·VS），比CK组高出80.9%。DDB-Co改善了KW中有机物的溶解和水解速率，提高了VFA的转化率，从而防止了干式消化系统的过度酸化，维持了系统的稳定性。虽然DDB-Co降低了KW处理系统中微生物的多样性和丰富度，但它选择性地富集了与水解、酸化和甲烷生成有关的微生物，如Lactobacillus和Methanothrix，并可能建立了DIET，加快了反应效率。宏基因组分析表明，DDB-Co 主要通过醋酸脱羧途径促进甲烷的产生，相应基因ackA、pta和acs的相对丰度显著增加。这项工作的结果为同时处理沼渣副产品和KW提供了另一种方法。
官德正，青岛理工大学资源与环境专业2022级在读硕士研究生。研究方向主要为固体废物污染控制与资源化。以第一作者（导师一作）身份在Chemical Engineering Journal和Process Safety and Enviromental Protection期刊发表SCI论文两篇。获得研究生一年级学业奖学金一等奖和优秀研究生一等奖等。
赵建伟，青岛理工大学环境与市政工程学院副教授、博士生导师。主持国家级项目1项，省部级项目4项，荣获中国冶金教育学会优秀硕士学位论文指导教师、省研究生优秀成果奖指导教师等荣誉称号。主要研究方向：固体废物污染控制及资源化，环境生物技术等。
孙英杰，青岛理工大学环境与市政工程学院副院长、教授、博士生导师、山东省环保产业专家委员会委员、山东省和青岛市环境应急与危险废物处置专家库专家。主持国家级项目5项，省部级项目10余项，荣获省科技进步二等奖（首位），山东省优秀博士/硕士学位论文指导教师等荣誉称号。主要研究方向：固体废物污染控制及资源化、污染场地风险评价与修复。
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