アンモニアストレス下では種間直接電子移動（DIET）が抑制できる -導電性物質の役割を再評価する

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Water Res..2020 Jun;183:116094. S0043-1354(20)30631-X. doi: 10.1016/j.watres.2020.116094.Epub 2020-06-30.

アンモニアストレス下では種間直接電子移動（DIET）が抑制できる -導電性物質の役割を再評価する

Direct interspecies electron transfer (DIET) can be suppressed under ammonia-stressed condition - Reevaluate the role of conductive materials.

Wangwang Yan
Manisha Mukherjee
Yan Zhou

PMID: 32668350 DOI: 10.1016/j.watres.2020.116094.

抄録

熱加水分解前処理(THP)と嫌気性消化(AD)を統合したプロセス(THP-AD)は、汚泥管理のための有望なプロセスである。しかし、THP-ADプロセスではアンモニアが多く発生するため、システムの安定性や性能に大きな影響を与えます。導電性材料はADを刺激することが広く報告されており、アンモニア生成抑制効果を緩和することができる可能性がある。本研究では、広く研究されている3つの導電性材料、すなわちゼロ価鉄（ZVI）、マグネタイトナノ粒子（Mag）、粉末活性炭（PAC）のTHP-ADプロセスへの影響を調査した。その結果、いずれの材料も非アンモニア阻害条件下では効果的にメタン生成プロセスを刺激できることが示された。しかし、アンモニアストレス下では、これらの材料は、ZVI群で最も優れたメタン生成性能を示し、次いでマグ.また、PAC群ではさらに阻害が悪化した。そのメカニズムを、嫌気性消化の各段階の反応速度と細胞内代謝の応答の2つのレベルから検討した。その結果、ZVIはすべての嫌気性消化反応、特にエネルギー的に不利なプロパノエートとブタン酸の代謝とメタン生成を効果的に促進することが明らかになった。また、ZVIは細胞内電子シャトルとして機能している可能性が高く、ZVIと電子伝達系との結合点がEtfAB:キノン酸化還元酵素であることが明らかになりました。一方、PAC群でのメタン生成能が低下したのは、アンモニア毒性に敏感なアセトクラスティックなメタン菌であるMethanosaetaの増殖を選択的に刺激したためであると考えられた。さらに、アンモニアストレスは、合成嫌気性嫌気性菌間の種間電子移動の形成に好ましくないことが、プロテオミクス情報から明らかになった。以上のことから、本研究は、細胞内プロテオミクスレベルからのADシステムにおける様々な導電性材料の役割についての基礎的な知見を提供するものである。

Thermal hydrolysis pretreatment (THP) and anaerobic digestion (AD) integrated (THP-AD) process is a promising process for sludge management. However, the high ammonia production during the THP-AD process severely affects system's stability and performance. Conductive materials are widely reported to stimulate AD, thus they are potentially helpful in alleviating ammonia inhibition. This study investigated the effects of three widely studied conductive materials, i.e. zero-valent iron (ZVI), magnetite nanoparticles (Mag.) and powder activated carbon (PAC), on THP-AD process. Results showed that all the tested materials could effectively stimulate methanogenesis process under non-ammonia inhibition conditions. However, upon ammonia stress, these materials behaved distinctively with the best methanogenic performance in ZVI group followed by Mag. Group, and even worsened inhibition occurred in PAC group. The mechanisms behind were investigated from two levels-the reaction kinetics of each anaerobic digestion step and the responses of intracellular metabolism. It is revealed that ZVI effectively promoted all AD reactions, especially the energy unfavorable propanoate and butanoate metabolism and overall methanogenesis. In addition, ZVI likely acted as intracellular electron shuttles, and the conjunction point of ZVI to electron transfer system was identified as EtfAB: quinone oxidoreductase. On the contrary, the declined methanogenic performance in PAC group was attributed to selectively stimulated the growth of acetoclastic methanogen - Methanosaeta, which is sensitive to ammonia toxicity. The proteomic information further revealed that ammonia stress was unfavorable to the formation of direct interspecies electron transfer between syntrophic anaerobes. Overall, the present study provides fundamental knowledge about the role of different conductive materials in AD systems from intracellular proteomic level.