生物炭介导的厌氧互营产甲烷增效过程的微尺度调控原理
批准号:
52070148
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
李倩
依托单位:
学科分类:
城市污水处理与资源化
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李倩
中文摘要
互营产甲烷是厌氧发酵过程的限速阶段,投加生物炭可显著提升互营产甲烷效率,但其中的微尺度介导机制不明晰,基于此的调控措施缺乏理论依据。本项目围绕生物炭介导的互营产甲烷增效过程的微尺度调控原理这一关键科学问题,研究生物炭微尺度行为与互营产甲烷效能提升的构效关系;建立互营代谢链的电子流/碳流路径靶向分析方法,从近细胞尺度阐明生物炭强化互营电子传递的多元耦合机理;解析生物炭-微生物聚合体的富集代谢特性,探明生物炭介导互营菌群定向演替的作用原理;揭示生物炭构造特征-介导效应-系统效能三者间的动态关联机制,提出面向发酵系统持续效能提升的动态调控策略与协同工艺模式。本项目对于丰富厌氧互营代谢理论与技术体系具有重要意义,可为开发基于生物炭强化的新型厌氧技术提供理论支撑。
英文摘要
Syntrophic methanogenesis is the rate-limiting step of anaerobic digestion (AD). Biochar addition can significantly promote the efficiency of syntrophic methanogenesis, but the involved the microscopic mechanism is still unclear, thus the regulating strategy is lack of theoretical basis. This study concentrates on the micro-scale regulating mechanisms of biochar addition for enhancing syntrophic methanogenesis in anaerobic bioreactor. Firstly, the correlation between biochar microscale behaviors and efficiency of syntrophic methanogenesis is confirmed. Then, the analytical methods for electron and carbon flow is established to reveal the synergetic mechanisms of electron transfer enhancement. The characteristics of biochar-microbe polymer enrichment and metabolism is investigated, and then the principle of directional succession of syntrophic consortium mediated by biochar is verified. Finally, the dynamically correlative mechanism between biochar structure, mediated effect, and system efficiency is ascertained, the dynamically regulating strategies for long-term promotion of will be proposed. The achievements of study will enrich the theory and technology system of syntrophic methanogenesis and provide support to develop innovative biochar-enhanced AD technology.
互营产甲烷是厌氧发酵过程的限速阶段,投加生物炭可显著提升互营产甲烷效率,但其中的微尺度介导机制不明晰,基于此的调控措施缺乏理论依据。本项目围绕生物炭微尺度行为与互营产甲烷效能提升的构效关系,建立近单细胞尺度的互营电子流靶向分析方法,从动力学与热力学角度阐明生物炭强化互营电子传递的多元耦合机理,解析生物炭介导互营菌群定向演替的作用机制与生物炭-微生物聚合体的代谢特征,在厌氧膜生物反应器(AnMBR)中揭示了生物炭强化产甲烷与缓解膜污染的动态关联机制,提出面向发酵系统持续效能提升的动态调控策略与协同工艺模式,主要研究内容及结果如下:. (1)考察了热解温度对生物炭构造特征的影响,建立了生物炭构造特征与互营产甲烧增效行为的构-效关系,捣示了生物炭电化学特性与互营电子传递的界面行为响应原理,即,在炭材料介导种间电子传递过程中,高电导率充当"电子导管”,而丰富的氧化还原言能团充当”赝电容”。. (2)探究了生物炭促进互营微生物生长并通过降低氢分压调节反应能垒来强化挥发性脂肪酸互营产甲烧的动力学与热力学机制,建立了热力学窗口和电子传递通量计算模型,解析了生物炭对丙酸两步互营产甲烷过程的电子传递路径贡献,阐明了生物炭介导直接种间电子传递(DIET)并协同促进种间氢传递(IHT)强化互营产甲烷的多元耦合机理。. (3)考察了厌氧体系悬浮液和生物炭上的微生物群落变化,通过Fe改性加强生物炭的赝电容能力,结合功能酶测定与宏基因组学,探究了功能贡献微生物在互营代谢受阻时朝生物炭表面发生电容趋向性富集的演替规律,阐明了生物炭-微生物聚合体的DIET机制。. (4)搭建了基于生物炭投加的AnMBR实验装置,实现了生物炭-AnMBR的高负荷长期稳定运行,结合共聚焦显微镜、原子力显微镜、计算流体动力学和界面热力学分析,阐明了生物炭强化AnMBR产甲烷并同步减缓膜污染的微观调控机制。. 研究成果发表高水平学术论文15篇,其中第一资助论文13篇(SCI一区论文7篇),申请/授权发明专利8项,为开发基于生物炭强化的新型厌氧技术提供了理论支撑。研究成果获2022陕西省科技进步一等奖、2021与2022陕西高等学校科学技术特等奖。
高温甲烷发酵过程的丙酸过量积累机制及调控技术研究
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批准号:51608430
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2016
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负责人:李倩
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依托单位:
Cu2ZnSnS4光电功能材料湿法微结构可控沉积及其性能基础研究
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批准号:51504181
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2015
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负责人:李倩
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依托单位:
国内基金
海外基金