光响应卤素掺杂碳量子点强化厌氧共消化：聚焦沼气产量提升与电子传输机制

本研究创新性地将光响应型卤素掺杂碳量子点（CQDs）引入光辅助厌氧共消化（AcoD）系统，发现氟掺杂CQDs（F-CQDs）在6000 Lux光照下协同提升沼气产量达541.2 mL/g VS、CH4产率提升122%，其核心机制在于增强直接种间电子传递（DIET）并富集关键厌氧微生物群落，为光驱动废弃物能源化转化提供了新策略。

　　

Section snippets

Substrates, inoculum collection and pretreatment

本实验中，芦荟皮（AP）和牛粪（CM）作为共底物在中温条件（36±1°C）下进行厌氧共消化（AcoD）。AP取自中国杨凌的芦荟处理厂，CM来自西安当地奶牛场。AP和CM在AcoD前的预处理方法参考既往研究（Liu等，2023）。从西安某市政污水处理厂厌氧池获取的厌氧污泥（AS）作为接种物。表1展示了AP、CM和AS的特性。

Characteristics of CQDs and halogen-doped CQDs

图1a和1b中F-CQDs的透射电镜（TEM）图像显示，F-CQDs（暗色斑点）呈近球形和椭圆形，尺寸介于1-10纳米，平均粒径为4.12纳米。其微小尺寸决定了它们能有效结合微生物（Liu等，2020）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）（图1c）显示，F-CQDs和CQDs在3418 cm^?1处的宽吸收峰对应于O-H伸缩振动，而2923 cm^?1和2854 cm^?1处的峰归因于C-H振动。F-CQDs在1627 cm^?1处的吸收峰表明C=O/C=C骨架振动，而1045 cm^?1处的峰证实了C-F键的存在，表明氟成功掺杂。

Conclusions

总之，卤素掺杂增强了CQDs的光响应性，光照与卤素掺杂CQDs的协同效应提升了AcoD性能。四种卤素掺杂CQDs中，氟功能化CQDs（F-CQDs，0.6 g/L）在6000 Lux光照下实现了最佳累计沼气产量（541.2 mL/g VS）、CH₄产量（374.4 mL/g VS）、TCOD去除率（64.6%）以及TS（61.6%）和VS（66.5%）去除率。CH₄产量和底物降解的增强归因于卤素掺杂CQDs优异的光电特性和光照协同作用，通过促进微生物间直接种间电子传递（DIET）和富集关键厌氧菌群实现。本研究为光-CQDs协同优化AcoD系统的废弃物能源转化提供了新见解。