哈尔滨工业大学钟丹、马文成团队 在 基于纳米四氧化三铁强化微生物厌氧发酵产氢研究 方面取得突破，成果以“Magnetite nanoparticles enhanced glucose anaerobic fermentation for bio-hydrogen production using an expanded granular sludge bed (EGSB) reactor”发表于International Journal of Hydrogen Energy，文章于2020年3月6日网络首发。
目前，能源短缺和环境污染已成为限制经济快速发展的重要因素，氢气是一种高效、清洁、可再生的理想清洁能源。厌氧发酵生物产氢技术可对有机废物进行高效降解的同时获得氢气而成为研究热点，但系统运行的稳定性差以及产氢效率低等问题严重制约了厌氧发酵生物产氢技术的工业化发展。Fe是厌氧发酵产氢过程中最重要的元素，通过向系统中投加不同价态和形态的Fe可强化系统的产氢性能。其中，纳米材料所具备的独特的晶体结构和混合价态更易于实现Fe离子的直接释放和缓释效应，进而增加其生物利用度，同时其具有更低廉的价格优势。本文以纳米四氧化三铁对厌氧生物产氢过程进行强化，并对其强化机理进行了深入的探讨。
本研究采用纳米四氧化三铁（Fe 3 O 4 NPs）对微生物厌氧发酵产氢过程进行强化。研究发现，投加Fe 3 O 4 NPs可将发酵类型由丁酸型转变为乙醇型，提高脱氢酶和氢化酶含量，从而有效的提高微生物厌氧发酵产氢性能。此外，使用XRD、FTIR、SEM表征和高通量测序等技术对微生物表面和群落结构进行分析，并提出了Fe 3 O 4 NPs强化微生物厌氧发酵产氢的作用机理。
1、纳米四氧化三铁对产氢能力的影响
如图1所示，投加纳米四氧化三铁后HP产量由3.22 L H2 /d增加至4.95L H2 /d，与未投加纳米四氧化三铁反应器相比提高了53.7%，丁酸浓度由422 mg/L降至191 mg/L，乙酸和乙醇的浓度增加至717 mg/L和516 mg/L，同时使得出水pH增加，厌氧发酵方式由丁酸型转变为乙醇型，此外，由于异化铁还原菌的作用，出水Fe2+ 离子浓度增加至5.1mg/L，发酵类型的转变和Fe3 O4 NPs生物侵蚀作用有助于氢气的产生。 图1 （a）产氢性能变化；（b）液相末端产物变化； （c）出水pH变化； （d）Fe离子浓度变化
厌氧发酵产氢过程实质是微生物进行的一系列酶催化反应，其中脱氢酶和氢化酶的活性可作为用于评价产氢细菌活性的指标。Fe作为微生物生长代谢过程中必不可少的元素，适量Fe元素的存在会提高微生物的酶活性。由图2可知，添加Fe3 O4 NPs后，产氢细菌的氢化酶和脱氢酶活性分别达到了0.301 mL/(gVSS⸱min)和20.36 μg/(gVSS⸱min)，相比对照组，添加MNPs的实验组中细菌的氢化酶和脱氢酶活性分别提高了40.7%和46.26%。由于Fe3 O4 NPs能促进功能基因的表达，使得这两种酶的含量明显提高，有效的促进了生物产氢性能。 为了更好的研究Fe3 O4 NPs的结构变化，采用XRD、FTIR和SEM对其反应前后的变化进行表征分析。经过20天的厌氧反应后，Fe3 O4 NPs的结构未发生明显的变化。通过对污泥进行SEM表征发现，Fe3 O4 NPs吸附在微生物表面，这种结构有利于在微生物之间形成纳米导线，从而强化微生物的种间电子传递作用，提高生物产氢性能。 图3 Fe 3 O 4 NPs反应前后的（a）XRD、（b）FTIR、（c）和（d）SEM表征 微生物群落结构分析表明，在对照组中，Clostridium 为主要的菌属，相对丰度为40.55%，其次为Acetanaerobacterium （13.53%）和Ethanoligenens （6.09%），主要为丁酸型发酵。投加Fe3 O4 NPs后，主要的菌属变化为Acetanaerobacterium 和Ethanoligenens ，分别22.79%和12.56%，然而，Clostridium 的相对丰度降低至11.45%，说明体系的发酵类型由丁酸型转变为乙醇型，此结果与液相末端产物中丁酸与乙醇的变化规律相符，从而从理论上说明了Fe3 O4 MNPs的存在使厌氧发酵产氢系统由丁酸型发酵转变为乙醇型发酵。
图4 微生物群落组成
钟丹 1981年生 ，工学博士，哈工大教授/博导，2021年度哈工大“青年科学家工作室”负责人，首批“ 国家级一流课程”《给水排水管道系统1》负责人，主要从事管网安全保障技术研究、污水资源化技术研究。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划（子课题）等科研项目10余项。近年来，在WR，EST，CEJ，BT等国内外著名期刊发表学术论文40余篇。获国家发明专利7项，授权软件著作权8项。出版专著2部，主编教材2部。获化工部科技进步二等奖1项，省优秀工程咨询成果二等奖1项，省部级教学成果一等奖1项，二等奖1项。担任《中国给水排水》青年编委、《净水技术》青年编委、省水利学会分委会委员、城市水资源开发利用（南方）国家工程中心专家、哈尔滨供水集团管网分委员会委员等12项社会兼职。
马文成 1980年生 ，工学博士，哈工大副教授/博导，主要从事高浓度有机废水处理技术、煤化工废水零排放技术、污水资源化技术、工业园区污水处理技术、给排水管网系统等研究。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划（子课题）等科研项目10余项。近年来，在WR，CEJ，BT等国内外著名期刊发表学术论文40余篇。出版专著1部，参编教材1部。获国际水协会（IWA）项目创新奖1项，省部级科技发明奖一等奖1项、科技进步二等奖5项。担任《Energies》（SCI检索）杂志编委、《中国给水排水》青年编委、《净水技术》青年编委、中国物资再生协会土壤修复专业委员会技术咨询专家、生态环境部工业园区环境管理专家库专家、城市水资源开发利用（北方）国家工程中心特聘专家等10余项社会兼职。
李金鑫，1992年生，博士研究生，现就读于哈尔滨工业大学环境学院。 版权声明：本资料为翻译和汇编作品，其著作权由汇编人（上海《净水技术》杂志社）享有，未经许可，任何人或单位不得侵犯本翻译和汇编作品的著作权。本资料部分素材来自收费期刊，为以防侵犯原作者和所发表期刊的著作权，任何人或单位不得对素材原文进行公开出版。 《SCI情报》为内部交流资料，不公开发行销售，目前仅对直接通过杂志社或微信微店订阅《净水技术》全年杂志的读者赠阅。 来源 ：本文仅供分享交流不做商业用途，不代表万事屋观点，版权归原作者与原作者出处。
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