金属纳米颗粒介导的厌氧消化强化机制研究进展

李涛，李增鹏

（1.酒泉职业技术学院，甘肃酒泉 735000；2.甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室，甘肃酒泉 735000）

在国家实施“双碳”战略的大背景下，发展清洁高效能源是绿色可持续发展的必然选择，厌氧消化（Anaerobic Digestion，AD）作为具有广阔前景的生物质能源转化技术，被广泛应用于畜禽粪便、污水污泥和食物垃圾的综合处理中。厌氧消化微生物的生理活性受到温度、pH值、有机负荷率、水力停留时间以及碳氮比等因素的影响[1]。为了强化厌氧消化能量输出，可通过添加生物炭、沸石、微量金属、纳米颗粒（Nanoparticles，NPs）和导电材料来提高生产沼气的效率。微量金属元素是一种重要的微生物营养源，厌氧消化过程中Co、Ni、Fe、Zn和Mo等微量元素对酶的合成和活性都具有重要作用，它们不仅可以促进有机基质的分解，还可以提升沼气和甲烷（CH4）的生成[2]。当然，高含量的金属在厌氧反应系统中有一定毒性，会抑制微生物的生长和营养代谢。

近年来，纳米金属材料介导的厌氧消化强化技术受到了国内外学者的广泛关注。与表面积大的传统添加物相比，纳米材料因其独特的表面效应、体积效应、量子尺寸及宏观量子隧道效应而显示出优越的物化性质[3]。添加纳米材料可有效改善微生物直接种间电子转移（Direct Interspecies Electron Transfer，DIET），进而促进厌氧消化系统内生物膜的形成。最新研究发现，通过添加导电材料，可增加电活性微生物之间的DIET，进而提高产CH4效率[4]。通过最大限度地增加气体产量、提高降解率以及改变微生物群落等作用，对CH4生成产生有利影响。

用导电NPs补充AD被认为是增加甲烷产量的有效策略，但添加导电NPs对微生物多样性、产甲烷途径和代谢途径的影响因底物和发酵环境而异[5]。此外，已证明添加NPs对产CH4的影响取决于微生物生长和营养代谢过程的同步改善。导电NPs促进CH4产生可用DIET机制来解释，因为已证明添加NPs可定量富集电活性微生物，其中一些电活性微生物能够产生多种胞外酶，包括脂肪酶、纤维素酶和蛋白酶[6]。

本文将深入阐述导电NPs的类型和大小对改善AD系统内微生物生长、CH4产生、生物量转化率以及营养代谢的影响，并讨论了在AD系统中添加NPs时的限制和考虑因素。

1 金属NPs对CH4生产的影响

1.1 种类

纳米金属氧化物对电子亲和力高，具有增强反应活性等优点，而且一些金属氧化物兼具磁性，能够促进厌氧发酵产CH4。ZAIDI等[7]研究金属氧化物NPs对沼气生产的影响，发现在最佳条件下，添加10 mg/L的Fe3O4-NPs最大沼气产量624 mL，较未添加组提升28%。LIN等[8]考察了添加γ-Fe2O3-NPs对产气肠杆菌发酵产氢的促进作用，结果表明在γ-Fe2O3-NPs添加量为200 mg/L时，产氢量提高了17%,产CH4速率也相应提高。MISHRA等[9]研究了添加NiO-NPs对棕榈油厂废水发酵产氢的影响，结果表明NiO-NPs添加浓度为1.5 mg/L时有最大产氢量和产氢率，分别为21 mL/（L·h）和0.563 L/g。ABDELSALAM等[10]研究不同浓度Fe3O4-NPs对沼气和CH4产生的影响，结果表明添加20 mg/L的Fe3O4-NPs时获得最大沼气量为584 mL/g、最大CH4产量为351.8 mL/g。MOLAEY等[11]研究发现，共营养醋酸盐氧化途径需要Co，而耐氨氢化产甲烷菌需要足够的Ni；添加使用Co-NPs有利于有机物的生物降解，从而增加沼气的产生，0.1～6.0 mg/L浓度的Co-NPs使CH4生成量增加了15%；在家禽粪便中添加混合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），也可促进CH4的生成。但是过量的金属NPs对有机物降解会产生抑制作用并增加金属毒性，陈玲波[12]在研究微生物群落时发现，ZnO-NPs能影响厌氧消化系统的微生物群落，随着ZnO-NPs浓度的升高，Methanomicrobia的丰度分别下降10.87%、13.44%、21.65%，从而导致系统的产甲烷效率下降，这可能是ZnO-NPs改变了辅酶M甲基转移酶活性。

1.2 粒径

厌氧消化系统中金属NPs的作用不仅取决于金属种类，还取决于NPs粒径。研究表明，NPs粒径对微生物膜受体结合和活化以及蛋白质的产生有重大影响。SU等[13]发现，在高固含量厌氧消化活性污泥中添加20 nm的Fe-NPs，CH4产率可提高40%以上；在用去离子水以1∶1稀释的粪便中，添加直径为19 nm、浓度为20 mg/L的Fe-NPs，CH4生成量增加了39.3%，相比之下，使用粒径更大的55 nm Fe-NPs时CH4生成量则减少。JIAO等[14]研究发现，向玉米青贮饲料和动物粪便厌氧消化系统中添加10 μm和20 nm Ni-NPs时CH4生成量可分别提高30%和100%，且Ni-NPs的加入提高了产气的稳定性。MU等[15]研究表明，单因素条件下20 nm以下ZnO-NPs对CH4的生成没有明显影响，但粒径在40～60 nm的ZnO-NPs对CH4的生成较对照组下降了28.9%，特别是高剂量的ZnO-NPs抑制了污泥水解、酸化和甲烷化的反应过程。

2 金属NPs对微生物的影响机理

2.1 生化途径和代谢产物

AD效率主要取决于相关因素，如微生物富集、生化途径、底物组成和反应参数。金属NPs的加入显著改善了营养共生、DIET以及诱导酶活性和代谢效率。MU等[16]发现，150 mg/g浓度以下的TiO2、SiO2和Al2O3纳米颗粒对产甲烷菌不会产生抑制作用，而ZnO在30 mg/g、150 mg/g时表现出CH4生成抑制，可能与高ZnO负载降低了蛋白酶、乙酸激酶和辅酶F420的活性有关。ABDELSALAM等[17]研究发现，添加Co、Ni的NPs对甲烷生产力有积极影响。CH4的产生由多种酶和辅酶催化，金属NPs（如Fe、Co和Ni）可以诱导激发酶活性并刺激产甲烷菌群的生长。添加金属纳米颗粒后，醋酸盐、CO2和甲基的利用率以及6种辅酶活性（铁氧还蛋白、四氢甲烷蝶呤、辅酶M、辅酶B、甲烷呋喃和辅酶F420）增加，一些独特的膜结合酶复合物在质子梯度中发生耦联，从而驱动了腺嘌呤核苷三磷酸（Adenosine Triphosphate，ATP）合成。具体而言，铁基NPs的存在会释放Fe2+，从而有助于铁氧还蛋白氧化还原酶和氢化酶之间的电子迁移，促进产氢菌生产H2的速率，产甲烷菌消耗H2，合成了最终产物CH4；添加锌基NPs可提高乙醛脱氢酶（Acetaldehyde Dehydrogenase，ALDH）活性，从而催化乙醛和乙酸的转化；此外，ZnO还调节乙醇脱氢酶（Alcohol Dehydrogenase，ADH）的功能，催化乙醛生成乙醇；挥发性有机酸（Volatile Fatty Acid，VFA）的积累和利用对CH4产量起着关键作用，因为中间有机酸在发酵过程中积累了能够生产CH4的许多前体分子。

2.2 微生物群落变化和共营养代谢

添加最佳浓度的金属NPs可以为微生物提供必需的营养元素，厌氧发酵细菌和产甲烷共营养电子迁移通过甲酸盐和H2发生，被称为介导种间电子转移（Mediated Interspecies Electron Transfer，MIET）。次级代谢物中间体和H2对嗜热细菌来说是必需的原料，补充金属NPs或导电材料（生物炭、电极）可以克服发酵微生物群和产甲烷菌之间电子转移的限制。例如，含有Fe-NPs、Ni-NPs的厌氧消化系统主要由地杆菌和碱杆菌控制，它们氧化CO2、有机物和中间代谢物并以Fe作为末端电子受体。此外，Ni在乙酰辅酶A分解为甲基中发挥主要作用。CHEN等[18]在使用Al2O3-NPs和纳米碳粉运行的反应器中发现了单胞菌和甲基单胞菌的定向富集，添加Zn-NPs后泉古菌丰度较高，这在氨的氧化中起主要作用。XU等[19]发现，将Fe2O3固定在碳布上可以提高丙酸盐在CH4生产中的利用率，与对照相比，梭菌的丰度（0.22%）更高。

微生物群落变化和协同代谢的缺失都会对AD性能产生不利影响，加入NPs可提高AD效率，促进协同代谢。BARRENA等[20]发现，添加零价铁纳米颗粒后，甲烷杆菌属的数量增加了0.57%，其中甲烷杆菌仅利用乙酸作为生长和代谢的底物。此外，产氢细菌数量增多时厚壁细菌的相对数量又会减少，各种形式的铁补充有益于营养供给和微生物细胞DNA复制，但要考虑将添加量控制在合理范围，以最大限度地减少细胞损伤。总之，NPs对AD系统中的特定微生物群落富集具有积极作用，选择合适的NPs是决定微生物富集的关键因素。

3 展望

添加NPs可促进AD系统中沼气的生成。未来不但要深入研究NPs与底物有机转化率、养分平衡、重金属、NPs浓度-降解率之间的关系，还要评估经济效益。添加NPs可能会增加投资成本和发酵工艺不稳定的风险，因此在实验室、中试和规模化生产中，需要深入研究每种NPs在提高AD性能、微生物群落变化和酶活性方面的作用，并确定不同NPs使用的最佳浓度和条件，以提高AD系统连续产气的稳定性，明确NPs对微生物代谢的综合影响。