纳米半导体材料促进厌氧产甲烷过程的研究进展

李 恒，叶玲芬，闻晨莹，沈程程

（厦门大学 嘉庚学院 河口生态安全与环境健康福建省高校重点实验室，福建 漳州 363105）

随着社会经济的不断发展，能源短缺的问题日益突出。为了缓解传统化石能源的压力，再生能源有望成为化石能源的替代品。厌氧消化利用复杂的微生物群落将有机污染物转化为生物甲烷，无害化减少废弃物的同时产生能源，是一种有效的生物能源策略［1］。厌氧消化主要包括水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段及产甲烷阶段，涉及的功能菌有水解发酵菌、产乙酸菌及产甲烷菌等，反应后有机物分解成小分子的氢气、二氧化碳和甲烷等［2］。

在微生物利用有机物厌氧产甲烷的各个阶段中，物质和能量流动一直存在，在这个过程中种间电子传递起到了关键作用，特别是在产甲烷过程中由于电子的扩散限制会影响产甲烷速率［3］。种间电子传递分为直接种间电子传递（DIET）和间接种间电子传递MIET。MIET是以氢气或甲酸作为媒介进行电子传递，这是因为互营细菌无法将电子直接传递给产甲烷菌，必须以氢气或甲酸作为电子载体［4］。某些细菌可进行DIET，无需载体，这使得产甲烷过程能够更高效地进行。DIET主要有借助纳米导线、借助膜结合以及利用导电性材料3种方式［5-7］。由于纳米技术的研究越发成熟，纳米材料在废水生物处理领域应用效果良好［8-11］。其中纳米半导体材料在废水处理、环境净化、太阳能转化等方面具有广阔的应用前景［12-15］。纳米半导体材料与电活性微生物存在电子转移和物理接触，可能介导电活性微生物界面的电子传递过程，弄清作用机理是决定其应用的关键，因此急需加强对其作用机理的研究。

本文综述了纳米半导体材料促进厌氧产甲烷过程机理的研究进展，探讨了纳米半导体材料的特性与促进厌氧产甲烷之间的关系，展望了该领域的发展趋势。

1 纳米半导体材料对厌氧产甲烷过程的促进作用

1.1 对产甲烷效率的促进

利用外源材料促进厌氧产甲烷过程是解决厌氧产甲烷过程效率低等缺点的有效途径［16-18］。外源材料主要分为纳米导电性材料和纳米半导体材料。国内外的研究者们对纳米导电性材料促进厌氧产甲烷的过程与机理开展了广泛的研究［19-21］。同时，半导体材料由于良好的理化性质也越来越受到研究者们的青睐，其中，纳米Fe2O3作为外源材料添加促进厌氧产甲烷过程被广泛研究。研究结果显示，Fe2O3能提高系统产甲烷能力［22-24］，甲烷产量增加35%［25］，累积产甲烷量提高11.06%［26］，可快速降解有机质，有机物降解率达69.02%［27］。Fe2O3还可促进微生物数量的增加和关键酶活性的提高，促进DIET中互营菌与产甲烷菌的关系，增强DIET过程［22，25-26，28］，可降低H2S的产生量，维护系统稳定［15］。

多种半导体材料对厌氧产甲烷过程均起到积极的促进作用。QIU等［29］向系统中添加纳米TiO2，因其较高的比表面积及精细的孔结构，使得甲烷产量提高了31.17%。TiO2类材料促进厌氧产甲烷过程的效果显著［30-31］，提高产甲烷速率，缩短停滞期，加速DIET过程，提高总的产甲烷菌数量［32-34］，还可维持系统稳定［35］。ANJUM等［36］发现，C3N4/TiO2复合材料的存在能使累积甲烷产量提高37.7%。Cr2O3/C3N4复合材料的存在能使甲烷产量提高至原体系的1.57倍［37］。ZnO在序批式反应体系中不仅能增加蛋白质、多糖和短链脂肪酸的释放，还能缩短厌氧消化的滞后期，降低沼气顶空中引起异味的挥发性硫化合物含量，促进厌氧产甲烷过程［38-40］。在UASB体系中，添加ZnO后甲烷产量达810 mL/（L·h），COD去除率为95.7%［41］。

1.2 对产甲烷中间过程的影响

纳米半导体材料的添加提升产甲烷效率的本质在于影响了一系列产甲烷的中间过程，如降低了体系有害物质（重金属及H2S等）对厌氧消化的影响，调整了酸化条件和较高的氢气分压等引起的厌氧消化的恶化等。

金属离子是促进微生物生长的重要物质，也是维持厌氧消化稳定运行的关键。而污水经过处理后，大部分的重金属被富集和浓缩到污泥中，重金属难以被生物降解，且还会与微生物的蛋白酶相互作用，导致它们失去活性，造成厌氧消化运行失败［42］。同时在厌氧消化中，重金属会抑制发酵过程，导致沼气产量和甲烷产量减少。纳米半导体材料粒径小，比表面积大，吸附性能好，可吸附还原重金属离子，形成稳定的金属络合物，降低重金属对厌氧消化的影响。纳米半导体材料可充当还原剂，通过化学还原去除多种重金属，提高甲烷产量［43］。H2S是在厌氧条件下由硫酸盐还原菌（SBR）产生的，且在有机物降解过程中存在硫酸盐时，氢气可将SO42-还原成H2S，这就造成了产甲烷菌和SBR之间对氢气的竞争，而通常SBR在氢气和乙酸上比甲烷菌更具竞争力，这会对厌氧产甲烷过程产生不良影响［44］。同时H2S的存在会影响沼气的产量和质量，腐蚀沼气净化机械的发动机，严重限制了厌氧消化产甲烷的工业化发展［45］。HAO等［14］利用沸石/TiO2材料有效去除合成气中的H2S，其去除率达98.1%，可使生物甲烷产量提高16.1%。ZnO可沉淀成ZnS，降低H2S的产生量［46］。

厌氧产甲烷是利用多种微生物在厌氧环境中共同作用产生甲烷的过程，微生物对环境变化极其敏感，系统pH、氢气分压等对厌氧消化过程的好坏起着至关重要的作用。厌氧消化系统的正常pH为6.8～7.2，在运行过程中由于有机酸的积累，容易变酸性，抑制甲烷生成，甚至当pH低于6.5时，反应就会停止［47］。由于氢气作为乙酸、丙酸、戊酸的中间产物，它的浓度控制着整个底物的利用情况，当氢气分压低于一定值时，丙酸和丁酸才会转化为乙酸；而当氢气分压高时厌氧过程会停留在产丙酸、丁酸、乙醇等阶段，而产甲烷菌是不能直接利用这些底物的，从而对厌氧产甲烷过程造成影响［48］。ZHU等［28］发现，α- Fe2O3-膨润土可通过加速脂肪酸的消耗，缓解脂肪酸过量积累的负面影响，从而提高系统的自恢复能力，有利于维持体系的稳定。CHENG等［15］通过添加铁锈（Fe2O3+FeOOH）也得到相同结果，铁锈组pH始终高于对照组，对于氢气含量降低有一定的促进作用。Fe2O3的加入可使体系中的可溶性铁离子含量增加，提高甲烷产率。

2 纳米半导体材料促进厌氧产甲烷的机制

2.1 通过优化微生物群落促进厌氧产甲烷

厌氧产甲烷过程是在厌氧条件下由多种微生物相互协同作用的结果，有机物的降解依赖于微生物的活动。纳米半导体材料的存在能够优化微生物群落，且添加纳米半导体材料还可富集具备DIET能力的微生物，提高厌氧产甲烷效率，从而促进厌氧产甲烷过程。MA等［34］研究发现，添加TiO2后，与对照组相比体系中Euryarchaeota得到富集，而产甲烷菌属于Euryarchaeota，这也说明TiO2的存在能够富集产甲烷菌，促进厌氧产甲烷过程。微生物属分析结果表明，纳米半导体材料的存在使Proteiniclaniclasticum、Pseudomonas和Sulfurovum的丰度明显提高，已有研究表明Proteiniclaniclasticum可能参与到DIET过程中［49］，Pseudomonas是一种产电菌，它在微生物燃料电池系统中能够将短链脂肪酸转化为电流［50］，而Pseudomonas产生的微生物不能作为电子传递的导体［51］，TiO2的存在可充当这类微生物电子传递的导体，促进电子传递。ZHU等［28］的研究也证实纳米半导体材料能够明显改变微生物群落，使Methanobrevibacter、Methanosarcina和Methanobacterium占比达到96%以上，而Methanosarcina是具有膜结合细胞色素的产甲烷菌，可在胞外电子传递中发挥重大的作用［52］。因此，半导体材料能够通过优化系统中的微生物群落，加速DIET过程，促进厌氧产甲烷过程。

2.2 通过促进DIET促进厌氧产甲烷

相比于MIET，在导电材料的作用下，微生物不再需要导电菌毛和细胞色素进行种间电子和能量交换，而是通过材料的高导电性和大比表面积实现种间电子和能量的直接交换，使得DIET速率更快，厌氧产甲烷效率更高［20，53］。纳米半导体材料在厌氧条件下可作为电子供体为产甲烷过程提供电子，促进厌氧产甲烷过程。XU等［54-55］在已存在DIET培养物的条件下，以氢气-CO2（体积比4∶1）为底物时，添加Fe2O3体系的产甲烷率比对照组低37.1%；而以乙酸为底物时，产甲烷率比对照组高23.1%，结合之前的研究，产甲烷菌不能在DIET建立的厌氧系统中利用氢气分子，而只能利用H+，说明体系的种间氢转移较弱，而DIET确实存在。添加Fe2O3可使厌氧体系累积产甲烷量提高11.04%，也可进行生物刺激以提高乳品废水的生物降解率和有机废物利用率，这归因于Fe2O3可帮助建立DIET，而无需细胞色素等，然后通过增强发酵剂和产甲烷菌之间的电子交换，促进有机物的降解［26，56-57］。Fe2O3的存在也可以富集铁还原菌（IRB），然后IRB与产甲烷菌耦合刺激DIET产生甲烷，使累积产甲烷量和丙酸降解量与对照组相比分别提高15.4%和19.7%，丙酸直接被氧化成H+、e-和CO2，然后产甲烷菌接受e-产生甲烷［54，58］。体系中存在TiO2可缩短厌氧产甲烷的滞后期，提高最大产甲烷速率，加速有机物的降解，在这个过程中，TiO2的晶型没有改变，导电能力增强，显著改变了微生物的群落结构，甲烷菌总量增加，这说明TiO2可富集产甲烷菌，起到电子导体的作用，促进DIET过程，从而促进厌氧产甲烷过程［34］。

2.3 通过改善胞外聚合物（EPS）促进厌氧产甲烷

EPS是微生物排出的天然高分子聚合物，占活性污泥质量的80%，它们是细胞内层和细胞外层之间进行电子交换的关键介质［59］。EPS对去除金属离子作用巨大，EPS中的蛋白质和多糖能利用自身的良好链状和网状结构将水中的悬浮物通过网捕、卷扫作用将其裹挟在表面，EPS中带负电的官能团能提供大量的吸附位点产生静电以及联合络合作用去除水中的金属离子［60］，纳米半导体材料的添加能增加EPS，从而促进金属离子的去除。同时EPS还可储存电化学物质，有效改善DIET过程，影响厌氧产甲烷效果［61］。YE等［62］发现，添加Fe2O3能显著促进EPS的产生，增加细胞色素浓度，大而致密的生物聚集体的形成与细胞色素的增加可加快共养菌与产甲烷菌之间的直接电子交换，使甲烷产量比对照组增加35.52%，且腐殖酸物质浓度明显增大，减少总挥发性脂肪酸的量［63］，更多的氧化还原活性介质通过中介途径参与种间电子传递过程，从而促进厌氧产甲烷过程［64］。其他研究者也发现Fe2O3的存在能提高可溶性蛋白、多糖及腐殖酸物质的浓度，刺激电子传递，有利于发酵菌与产甲烷菌的共生代谢，更好地降解有机物［26，57］。

纳米半导体材料促进厌氧产甲烷的机制见图1。

图1 纳米半导体材料促进厌氧产甲烷的机制

3 纳米半导体材料特性对促进效果的影响

纳米半导体材料特性在促进厌氧产甲烷过程中起着非常重要的作用。其中导电性在促进DIET过程中有着举足轻重的地位。微生物能够借助导电材料的导电性进行电子交换，而不需要导电菌毛及细胞色素［53］。具有较高导电率的颗粒活性炭能促进种间电子转移［65］。半导体α-Fe2O3在刺激DIET过程中表现出良好的效果［28］。YE等［66］发现，添加α-Fe2O3可促进地杆菌和产甲烷菌之间的DIET。在含苯甲酸废水的厌氧处理过程中，α-Fe2O3的存在使苯甲酸降解率比对照组提高了25%，这一促进作用可能是DIET介导的产甲烷过程的效果［67］。AMBUCHI等［68］发现，Fe2O3纳米粒子和多壁碳纳米管加入反应体系后，能为细胞附着提供更多的定植位点和有利条件，反应体系的污泥颗粒聚集更密集，更有利于电子的传递。

半导体的光催化特性在废水处理及污泥稳定生产能源方面的促进作用研究也越来越多。光催化特性可提高污泥消化率，改善污泥的厌氧消化过程，提高沼气产量。ANJUM等［36］利用C3N4/TiO2半导体纳米材料对污泥进行光催化预处理6 h后，甲烷产量是对照组的1.6倍。这是因为光催化作用使微生物细胞和絮凝体破裂，细胞外的高分子物质，特别是以复合蛋白和多糖形式存在的高分子物质被降解［69］。在整个体系中，材料不会只有一个特性单独发挥作用，两个乃至多个特性均会对厌氧产甲烷过程产生影响。HAO等［14］利用沸石/TiO2材料使合成气中的H2S去除率达到98.1%，未检测到SO2，此外，还可使甲烷产量提高16.1%［70］。

厌氧产甲烷过程对氧化还原电位（ORP）有极高的要求，因为产甲烷菌对高ORP很敏感，而较低的ORP有利于产甲烷菌的生长，适宜的ORP范围为200～400 mV。而加入纳米半导体材料作为高活性还原剂能有效消耗氧化剂，维持较低的ORP［71］。半导体复合材料具有还原性［72］，可在厌氧产甲烷过程中充当还原剂，促进厌氧产甲烷过程。

纳米半导体材料的大比表面积以及多孔结构能够吸附固定微生物，增加微生物间的接触，促进DIET过程，且这些特性也有利于降低系统中的重金属含量和H2S含量，同时纳米半导体材料的导电性能让距离较远的微生物间发生DIET，同时借助材料的表面官能团驱动电子传递，提高电子传递效率。但是目前对于材料的理化特性对厌氧产甲烷过程的促进效果还存在诸多争议。YUAN等［73］发现3种导电性相差不大的生物炭对厌氧产甲烷效果的影响差别明显。TIAN等［74］研究发现醌类物质的存在并未促进产甲烷过程。有学者认为能够强化产甲烷过程的导电性材料一般具有较高的电导率和较大的比表面积［75］。

4 结语

纳米半导体材料促进厌氧产甲烷的效果十分明显，它的存在能够加快产甲烷速率，提高甲烷产量，还能影响产甲烷中间过程，降低重金属和H2S对厌氧产甲烷过程的影响，改善酸化条件和较高的氢气分压等引起的厌氧消化的恶化，维护系统的稳定。目前已知可能存在的纳米半导体材料促进厌氧产甲烷过程的机制有优化微生物群落、促进DIET过程以及改善EPS，但仍需进一步加强对其影响机制的研究，并开展基于机理的材料优化研究，获取高效促进厌氧产甲烷过程的纳米半导体材料，以促进该领域走向工业化应用。另一方面，目前纳米半导体材料的理化性质与产甲烷效率尚未建立明确的数学关系，如果能够进一步利用数学模型获取材料的理化性质与产甲烷效率的定量关系，将能够为材料的优化提供理论参考。