金属纳米颗粒在暗发酵生物制氢中的应用研究进展

张永贵，许思远，张琴，李艳宾

(安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖 241000)

进入21世纪，化石燃料的有限储备和快速消耗及其引起的生态环境问题已严重制约了人类社会的发展，生物能源以其可再生性、可持续性已成为化石燃料潜在的替代能源。氢气具有无毒、无污染、燃烧性好等特点，比传统燃料热值高，且燃烧产物为水，是世界公认的清洁能源[1]。采用生物法生产氢气已成为21世纪最主要的氢能源生产方式。目前，生物制氢的方式有多种，最重要的主要有光水解、光发酵、暗发酵和光-暗联合发酵产氢四种方式[2-3]，其中，暗发酵产氢以其发酵基质的廉价性和多样性，近年来已成为产氢效率高、运用较广泛的生物制氢方式。

暗发酵生物制氢过程受多种因素影响，发酵菌种及其接种量、发酵pH值、温度、发酵基质种类及其浓度、培养基成分及其添加剂等都在较大程度上影响了暗发酵生物制氢效率[4-6]，为此，提高生物氢产率已成为暗发酵产氢调控的直接目的。近年来，有研究表明在暗发酵产氢系统中添加一定浓度纳米颗粒可有效提高系统的生物氢产率，纳米颗粒的表面效应和量子尺寸效应可以通过加速电子从NADPH向氢酶的转移来提高氧化还原酶的活性，从而促进生物氢的合成[7-8]，并且纳米颗粒还具有电子亲合力，可以将质子还原为氢气[9]。尤其是近年来金属纳米颗粒的添加，使得暗发酵产氢系统的产氢效率有显著提高。本文介绍了金属纳米颗粒应用的最新进展，并对金属纳米颗粒的种类及其作用于暗发酵产氢的机理，Fe、Ni及其它金属纳米颗粒应用于暗发酵产氢的作用效果进行了总结。

1 金属纳米颗粒的种类及其影响暗发酵产氢的作用机理

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内(1～100 nm)的材料[10]，因其尺寸小而具有许多独特的特性，如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸和宏观量子隧道效应等[11]，在生物催化、电子、医学、环境污染物处理等方面都得到了广泛的应用。近年来，一些金属纳米颗粒(Fe、Ni、Cu、Pt、Au、Pd、Ag)、金属氧化物纳米颗粒(Fe2O3、Fe3O4、NiCo2O4、CuO、NiO、CoO、ZnO)及部分纳米复合材料广泛应用于生物制氢领域，并取得了瞩目的成效[12]，尤以其在暗发酵生物制氢中金属纳米颗粒(Ag、Fe、Ni、Cu、Pd、Au)和金属氧化物纳米颗粒(Fe2O3、Fe3O4、ZnO、NiO、CoO)的应用最广、效果最显著。

氢酶在调控细菌发酵产氢中起重要的催化作用，氢酶依据其活性位点结合金属离子的不同主要分为Fe氢酶、Fe-Fe氢酶和Ni-Fe氢酶三类[13]。Fe氢酶、Fe-Fe氢酶多在如产乙醇杆菌属和梭菌属等专性厌氧产氢菌中被发现，其活性较高[14]。Ni-Fe氢酶发现较多存在于兼性厌氧产氢细菌中，其研究和应用最广泛[15]。金属元素对微生物的酶活性有重要影响，主要体现在以下两方面：其一，作为提高酶活性的激活剂；其二，作为酶的辅助因子，可以在酶促反应中起到运载酰基团、某些参与氧化还原的功能基团或转移原子、电子的作用[16]。已有研究表明，随着培养基中铁离子的损耗，氢酶的活性会随之降低[17]，因此金属Fe可通过影响氢化酶的活性而影响微生物产氢性能。亦有研究表明，一定浓度金属Ni的添加可促进产氢细菌氢气产量的提高[18]。另外，金属纳米颗粒的添加，不仅提高了细菌与活性位点的结合几率，促进电子和氢的转移，还能增加生物氢的产率与发酵底物的利用率[19]。由此可见，在发酵产氢系统中添加相应的金属纳米颗粒可望提高氢酶活性从而有利于生物氢的合成。

2 金属纳米颗粒在暗发酵产氢中的应用

2.1 Fe及其氧化物纳米颗粒对暗发酵产氢过程的影响

Fe及其氧化物纳米颗粒是目前在发酵产氢系统应用最多的金属纳米颗粒，这些纳米颗粒主要的应用形式为Fe0纳米颗粒、Fe2O3纳米颗粒、Fe3O4纳米颗粒，见表1。从作用效应来看，主要分为浓度效应和尺寸效应，迄今几乎所有的文献都报道了这些金属纳米颗粒的浓度效应(表1)，然而，仅有少数研究探讨了金属纳米颗粒的尺寸效应，如，辛红梅等[20]在厌氧污泥发酵产氢系统中添加了不同粒径大小(0～100 nm)的Fe3O4纳米颗粒，结果表明，纳米颗粒直径在40～60 nm范围时，最大产氢量可达236 mL，较之对照组提高29.7%；Li等[21]在Klebsiellasp.WL1316发酵棉秆水解液产氢系统中添加了粒径大小约100 nm和50 nm的Fe0纳米颗粒，发现添加50 nm Fe0纳米颗粒能有效促进生物氢的合成，尤其是添加浓度为20 mg/L时，产氢量可达(94.31±0.23)mL/g还原糖。由此可见，金属纳米颗粒的添加浓度和粒径大小对暗发酵的产氢量均有较大影响，有效调节二因素的最优值可有效调控暗发酵产氢系统生物氢的合成。

表1 Fe及其氧化物纳米颗粒在不同发酵产氢系统中的应用Table 1 Application of Fe and its oxide nanoparticles in different fermentation hydrogen production systems

此外，接种物不同，Fe及其氧化物纳米颗粒添加浓度的作用效果亦不相同。已有的研究表明，在以纯培养微生物菌种为接种物的发酵产氢系统中仅需添加较低浓度的纳米颗粒即可起到有效促进产氢的作用，如在EnterobactercloacaeWL1318发酵棉秆水解液产氢系统中添加Fe3O4NPs的浓度为 40 mg/L 时的产氢量最高[22]。在以污泥等混合菌群作为接种物的发酵产氢系统与以纯培养微生物菌种为接种物的发酵产氢系统添加金属纳米颗粒浓度相似，如Engliman等[23]在纳米氧化铁对高温混合发酵产氢的研究中得出，Fe2O3NPs添加量为50 mg/L时可以得到1.92 mol H2/mol葡萄糖的最高产气量，而在Reddy等[8]对甘蔗渣水解液发酵产氢中发现，添加200 mg/L的Fe3O4NPs时的产气量最高为1.211 mol H2/mol 葡萄糖。为此，针对不同的发酵接种物确定金属纳米颗粒的添加浓度，可能会达到最佳的调控产氢效应。

2.2 Ni及其氧化物纳米颗粒对暗发酵产氢的影响

作为Ni-Fe氢酶活性位点的结合元素，Ni对暗发酵产氢可产生较大的影响，一些研究已证明添加一定浓度Ni2+可促进发酵产氢系统生物氢的合成[18，35]。Ni及其氧化物纳米颗粒亦可起到类似的促进产氢作用，然而，在不同接种物的发酵产氢系统中，其作用效应却大相径庭。

表2 Ni及其氧化物纳米颗粒在不同发酵产氢系统中的应用Table 2 Application of Ni and its oxide nanoparticles in different fermentation hydrogen production systems

Taherdanak等[26]研究了Ni2+和NiNPs对以葡萄糖为发酵基质的厌氧污泥发酵系统产氢效应的影响，发现添加2.5 mg/L NiNPs可使系统产氢量较之对照处理提高0.9%，并且随着添加浓度的升高产氢量大幅度降低且低于对照处理，而添加 25 mg/L Ni2+却可促使产氢量提高55.0%，由此，作者认为，NiNPs的添加不利于厌氧污泥发酵系统产氢量的提高。与之不同的，Mullai等[36]的研究却表明在对以葡萄糖为发酵基质的厌氧污泥发酵系统中添加NiNPs可促进产氢量的提高，尤以添加5.67 mg/L NiNPs处理下可获得最高产氢量达2.54 mol H2/mol葡萄糖，较之对照组提高22.7%。上述两研究的发酵产氢体系相似，但添加NiNPs的作用效果却有所不同，究其原因可能由于两研究添加的NiNPs粒径大小不同所致。如Li等[21]在Klebsiellasp.WL1316发酵棉杆水解液产氢系统中添加粒径不同的Ni0NPs，发现添加50 nm的30 mg/L Ni0NPs 对菌株合成生物氢的促进作用最显著，能获得最高的产氢量，可达(92.82±0.25)mL/g还原糖，可见金属纳米颗粒的粒径大小在一定程度上对产氢细菌生物氢的合成具有决定性作用。类似的，镍氧化物纳米颗粒对生物氢合成的影响亦存在一定的尺寸和浓度效应。如，Mishra等[19]在BacillusanthracisPUNAJAN 发酵棕榈油厂废水制氢中添加粒径为14 nm的1.5 mg/L NiONPs可获得最高的产氢量，达0.56 L H2/g COD。

2.3 其它金属纳米颗粒对暗发酵产氢的影响

除Fe、Ni纳米颗粒外，亦有一些研究添加了其它类型的金属纳米颗粒。袁静[34]在研究一些金属纳米颗粒对菌Enterobactersp.HDX08 产氢的影响中发现，在以葡萄糖为底物，添加200 mg/L粒径为(30±10)nm的ZnONPs 及3 mg/L粒径为(15±5)nm AgNPs，氢气产量分别可达 0.45 mol H2/mol 葡萄糖和0.43 mol H2/mol 葡萄糖。一定浓度 AgNPs 添加至混合菌群发酵产氢系统中亦可起到促进生物氢合成的作用，如Zhao等[38]在混菌发酵产氢体系中添加20 mg/L、直径为(15±2)nm AgNPs能获得高达2.48 mol H2/mol葡萄糖的产氢量。然而，并不是所有的金属纳米颗粒对氢气产量都有促进作用，Mohanraj等[39]的研究发现，以葡萄糖为底物，阴沟肠杆菌和乙酰丁基梭菌为发酵菌种时，CuNPs对发酵产氢具有一定的抑制作用，在这两菌株发酵产氢体系中添加浓度为2.5 mg/L的CuNPs时，H2的产率较之对照组分别降低了3.5%和2.9%，当添加浓度增加至12.5 mg/L时，H2的产率分别降低56.9%和72.2%。

表3 其它金属纳米颗粒发酵产氢系统中的应用Table 3 Application of other metal nanoparticle fermentation hydrogen production system

3 总结与展望

近年来，一些金属及其氧化物纳米颗粒应用于暗发酵产氢领域已取得一定成果，尤其是在Fe、Ni及其氧化物纳米颗粒的应用逐年增多。微生物暗发酵产氢系统是个复杂的体系，其产氢效率受发酵基质、接种菌种、外源添加物等诸多因素的影响，尤其是金属纳米颗粒的添加在很大程度上影响着暗发酵产氢系统的生物氢合成效率，然而，只有选取一定浓度、一定粒径的金属纳米颗粒作为添加剂，才能对微生物发酵产氢起到显著的促进作用。为此，笔者认为金属纳米颗粒应用于暗发酵产氢的研究方向主要为：①采用有效的合成方法，如绿色合成法，合成性能稳定、粒径大小合适的金属及其氧化物纳米颗粒添加至微生物暗发酵产氢系统；②针对一定的纳米颗粒及其暗发酵产氢系统，探索最优的纳米颗粒添加浓度，以达到最显著的促进产氢效果；③金属及其氧化物纳米颗粒的添加要充分考虑发酵基质、接种菌种等因素，基于基本作用原理确定纳米颗粒添加方案。