金屬納米顆粒介導的厭氧消化強化機制研究進展

李濤，李增鵬

（1.酒泉職業(yè)技術(shù)學院，甘肅酒泉 735000；2.甘肅省太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程重點實驗室，甘肅酒泉 735000）

在國家實施“雙碳”戰(zhàn)略的大背景下，發(fā)展清潔高效能源是綠色可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，厭氧消化（Anaerobic Digestion，AD）作為具有廣闊前景的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于畜禽糞便、污水污泥和食物垃圾的綜合處理中。厭氧消化微生物的生理活性受到溫度、pH值、有機負荷率、水力停留時間以及碳氮比等因素的影響[1]。為了強化厭氧消化能量輸出，可通過添加生物炭、沸石、微量金屬、納米顆粒（Nanoparticles，NPs）和導電材料來提高生產(chǎn)沼氣的效率。微量金屬元素是一種重要的微生物營養(yǎng)源，厭氧消化過程中Co、Ni、Fe、Zn和Mo等微量元素對酶的合成和活性都具有重要作用，它們不僅可以促進有機基質(zhì)的分解，還可以提升沼氣和甲烷（CH4）的生成[2]。當然，高含量的金屬在厭氧反應(yīng)系統(tǒng)中有一定毒性，會抑制微生物的生長和營養(yǎng)代謝。

近年來，納米金屬材料介導的厭氧消化強化技術(shù)受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。與表面積大的傳統(tǒng)添加物相比，納米材料因其獨特的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸及宏觀量子隧道效應(yīng)而顯示出優(yōu)越的物化性質(zhì)[3]。添加納米材料可有效改善微生物直接種間電子轉(zhuǎn)移（Direct Interspecies Electron Transfer，DIET），進而促進厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)生物膜的形成。最新研究發(fā)現(xiàn)，通過添加導電材料，可增加電活性微生物之間的DIET，進而提高產(chǎn)CH4效率[4]。通過最大限度地增加氣體產(chǎn)量、提高降解率以及改變微生物群落等作用，對CH4生成產(chǎn)生有利影響。

用導電NPs補充AD被認為是增加甲烷產(chǎn)量的有效策略，但添加導電NPs對微生物多樣性、產(chǎn)甲烷途徑和代謝途徑的影響因底物和發(fā)酵環(huán)境而異[5]。此外，已證明添加NPs對產(chǎn)CH4的影響取決于微生物生長和營養(yǎng)代謝過程的同步改善。導電NPs促進CH4產(chǎn)生可用DIET機制來解釋，因為已證明添加NPs可定量富集電活性微生物，其中一些電活性微生物能夠產(chǎn)生多種胞外酶，包括脂肪酶、纖維素酶和蛋白酶[6]。

本文將深入闡述導電NPs的類型和大小對改善AD系統(tǒng)內(nèi)微生物生長、CH4產(chǎn)生、生物量轉(zhuǎn)化率以及營養(yǎng)代謝的影響，并討論了在AD系統(tǒng)中添加NPs時的限制和考慮因素。

1 金屬NPs對CH4生產(chǎn)的影響

1.1 種類

納米金屬氧化物對電子親和力高，具有增強反應(yīng)活性等優(yōu)點，而且一些金屬氧化物兼具磁性，能夠促進厭氧發(fā)酵產(chǎn)CH4。ZAIDI等[7]研究金屬氧化物NPs對沼氣生產(chǎn)的影響，發(fā)現(xiàn)在最佳條件下，添加10 mg/L的Fe3O4-NPs最大沼氣產(chǎn)量624 mL，較未添加組提升28%。LIN等[8]考察了添加γ-Fe2O3-NPs對產(chǎn)氣腸桿菌發(fā)酵產(chǎn)氫的促進作用，結(jié)果表明在γ-Fe2O3-NPs添加量為200 mg/L時，產(chǎn)氫量提高了17%,產(chǎn)CH4速率也相應(yīng)提高。MISHRA等[9]研究了添加NiO-NPs對棕櫚油廠廢水發(fā)酵產(chǎn)氫的影響，結(jié)果表明NiO-NPs添加濃度為1.5 mg/L時有最大產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫率，分別為21 mL/（L·h）和0.563 L/g。ABDELSALAM等[10]研究不同濃度Fe3O4-NPs對沼氣和CH4產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明添加20 mg/L的Fe3O4-NPs時獲得最大沼氣量為584 mL/g、最大CH4產(chǎn)量為351.8 mL/g。MOLAEY等[11]研究發(fā)現(xiàn)，共營養(yǎng)醋酸鹽氧化途徑需要Co，而耐氨氫化產(chǎn)甲烷菌需要足夠的Ni；添加使用Co-NPs有利于有機物的生物降解，從而增加沼氣的產(chǎn)生，0.1～6.0 mg/L濃度的Co-NPs使CH4生成量增加了15%；在家禽糞便中添加混合NPs（5.4 mg/L的Co-NPs、100 mg/L的Fe-NPs、15 mg/L的Fe3O4-NPs和12 mg/L的Ni-NPs），也可促進CH4的生成。但是過量的金屬NPs對有機物降解會產(chǎn)生抑制作用并增加金屬毒性，陳玲波[12]在研究微生物群落時發(fā)現(xiàn)，ZnO-NPs能影響厭氧消化系統(tǒng)的微生物群落，隨著ZnO-NPs濃度的升高，Methanomicrobia的豐度分別下降10.87%、13.44%、21.65%，從而導致系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷效率下降，這可能是ZnO-NPs改變了輔酶M甲基轉(zhuǎn)移酶活性。

1.2 粒徑

厭氧消化系統(tǒng)中金屬NPs的作用不僅取決于金屬種類，還取決于NPs粒徑。研究表明，NPs粒徑對微生物膜受體結(jié)合和活化以及蛋白質(zhì)的產(chǎn)生有重大影響。SU等[13]發(fā)現(xiàn)，在高固含量厭氧消化活性污泥中添加20 nm的Fe-NPs，CH4產(chǎn)率可提高40%以上；在用去離子水以1∶1稀釋的糞便中，添加直徑為19 nm、濃度為20 mg/L的Fe-NPs，CH4生成量增加了39.3%，相比之下，使用粒徑更大的55 nm Fe-NPs時CH4生成量則減少。JIAO等[14]研究發(fā)現(xiàn)，向玉米青貯飼料和動物糞便厭氧消化系統(tǒng)中添加10 μm和20 nm Ni-NPs時CH4生成量可分別提高30%和100%，且Ni-NPs的加入提高了產(chǎn)氣的穩(wěn)定性。MU等[15]研究表明，單因素條件下20 nm以下ZnO-NPs對CH4的生成沒有明顯影響，但粒徑在40～60 nm的ZnO-NPs對CH4的生成較對照組下降了28.9%，特別是高劑量的ZnO-NPs抑制了污泥水解、酸化和甲烷化的反應(yīng)過程。

2 金屬NPs對微生物的影響機理

2.1 生化途徑和代謝產(chǎn)物

AD效率主要取決于相關(guān)因素，如微生物富集、生化途徑、底物組成和反應(yīng)參數(shù)。金屬NPs的加入顯著改善了營養(yǎng)共生、DIET以及誘導酶活性和代謝效率。MU等[16]發(fā)現(xiàn)，150 mg/g濃度以下的TiO2、SiO2和Al2O3納米顆粒對產(chǎn)甲烷菌不會產(chǎn)生抑制作用，而ZnO在30 mg/g、150 mg/g時表現(xiàn)出CH4生成抑制，可能與高ZnO負載降低了蛋白酶、乙酸激酶和輔酶F420的活性有關(guān)。ABDELSALAM等[17]研究發(fā)現(xiàn)，添加Co、Ni的NPs對甲烷生產(chǎn)力有積極影響。CH4的產(chǎn)生由多種酶和輔酶催化，金屬NPs（如Fe、Co和Ni）可以誘導激發(fā)酶活性并刺激產(chǎn)甲烷菌群的生長。添加金屬納米顆粒后，醋酸鹽、CO2和甲基的利用率以及6種輔酶活性（鐵氧還蛋白、四氫甲烷蝶呤、輔酶M、輔酶B、甲烷呋喃和輔酶F420）增加，一些獨特的膜結(jié)合酶復合物在質(zhì)子梯度中發(fā)生耦聯(lián)，從而驅(qū)動了腺嘌呤核苷三磷酸（Adenosine Triphosphate，ATP）合成。具體而言，鐵基NPs的存在會釋放Fe2+，從而有助于鐵氧還蛋白氧化還原酶和氫化酶之間的電子遷移，促進產(chǎn)氫菌生產(chǎn)H2的速率，產(chǎn)甲烷菌消耗H2，合成了最終產(chǎn)物CH4；添加鋅基NPs可提高乙醛脫氫酶（Acetaldehyde Dehydrogenase，ALDH）活性，從而催化乙醛和乙酸的轉(zhuǎn)化；此外，ZnO還調(diào)節(jié)乙醇脫氫酶（Alcohol Dehydrogenase，ADH）的功能，催化乙醛生成乙醇；揮發(fā)性有機酸（Volatile Fatty Acid，VFA）的積累和利用對CH4產(chǎn)量起著關(guān)鍵作用，因為中間有機酸在發(fā)酵過程中積累了能夠生產(chǎn)CH4的許多前體分子。

2.2 微生物群落變化和共營養(yǎng)代謝

添加最佳濃度的金屬NPs可以為微生物提供必需的營養(yǎng)元素，厭氧發(fā)酵細菌和產(chǎn)甲烷共營養(yǎng)電子遷移通過甲酸鹽和H2發(fā)生，被稱為介導種間電子轉(zhuǎn)移（Mediated Interspecies Electron Transfer，MIET）。次級代謝物中間體和H2對嗜熱細菌來說是必需的原料，補充金屬NPs或?qū)щ姴牧希ㄉ锾俊㈦姌O）可以克服發(fā)酵微生物群和產(chǎn)甲烷菌之間電子轉(zhuǎn)移的限制。例如，含有Fe-NPs、Ni-NPs的厭氧消化系統(tǒng)主要由地桿菌和堿桿菌控制，它們氧化CO2、有機物和中間代謝物并以Fe作為末端電子受體。此外，Ni在乙酰輔酶A分解為甲基中發(fā)揮主要作用。CHEN等[18]在使用Al2O3-NPs和納米碳粉運行的反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)了單胞菌和甲基單胞菌的定向富集，添加Zn-NPs后泉古菌豐度較高，這在氨的氧化中起主要作用。XU等[19]發(fā)現(xiàn)，將Fe2O3固定在碳布上可以提高丙酸鹽在CH4生產(chǎn)中的利用率，與對照相比，梭菌的豐度（0.22%）更高。

微生物群落變化和協(xié)同代謝的缺失都會對AD性能產(chǎn)生不利影響，加入NPs可提高AD效率，促進協(xié)同代謝。BARRENA等[20]發(fā)現(xiàn)，添加零價鐵納米顆粒后，甲烷桿菌屬的數(shù)量增加了0.57%，其中甲烷桿菌僅利用乙酸作為生長和代謝的底物。此外，產(chǎn)氫細菌數(shù)量增多時厚壁細菌的相對數(shù)量又會減少，各種形式的鐵補充有益于營養(yǎng)供給和微生物細胞DNA復制，但要考慮將添加量控制在合理范圍，以最大限度地減少細胞損傷?？傊?，NPs對AD系統(tǒng)中的特定微生物群落富集具有積極作用，選擇合適的NPs是決定微生物富集的關(guān)鍵因素。

3 展望

添加NPs可促進AD系統(tǒng)中沼氣的生成。未來不但要深入研究NPs與底物有機轉(zhuǎn)化率、養(yǎng)分平衡、重金屬、NPs濃度-降解率之間的關(guān)系，還要評估經(jīng)濟效益。添加NPs可能會增加投資成本和發(fā)酵工藝不穩(wěn)定的風險，因此在實驗室、中試和規(guī)模化生產(chǎn)中，需要深入研究每種NPs在提高AD性能、微生物群落變化和酶活性方面的作用，并確定不同NPs使用的最佳濃度和條件，以提高AD系統(tǒng)連續(xù)產(chǎn)氣的穩(wěn)定性，明確NPs對微生物代謝的綜合影響。