关于聚苯胺/Fe₃O₄-生物炭在厌氧共消化中多功能机制的新见解：电子传递、微生物群落演替及代谢调控

李博阳|陈思佳|邹金志|赵建伟|张金旭|曾梦军|孙英杰|叶卫东

摘要

本研究采用梯度热解-原位共沉淀-聚合方法制备了与聚苯胺（PANI）和Fe₃O₄共改性的生物炭（PANI@MDPC），并探讨了其对厨余垃圾与过量污泥（KWES-CoAD）厌氧共处理的强化作用机制。表征结果显示，PANI@MDPC的电导率为323 S/m，是原始生物炭的3.75倍。其表面引入了大量氨基/亚氨基氧化还原活性位点，并具有优异的磁响应性（饱和磁化强度Ms为24.28 emu/g），从而兼具电导率和磁响应性双重功能。批量实验表明，添加25 mg/(g TS)的PANI@MDPC后，甲烷产量为150.63 mL/(g TS)，比对照组高出15.9%。宏基因组分析发现，PANI@MDPC通过构建连续导电网络和形成Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原对，增强了电子传递效率，激活了种间电子转移（DIET）途径。该材料重构了微生物群落结构，显著富集了产酸菌Massilibacterium和DIET型产甲烷古菌Methanosarcina。此外，它还上调了参与乙酸脱羧、氢营养型产甲烷和甲基营养型产甲烷的关键酶基因（acs上调23.53%，hdrD上调9.8%，mtaA上调16.48%），优化了底物水解、酸化及产甲烷过程的代谢耦合。本研究为有机固体废物的“以废治废”资源化利用提供了一种新策略。