纳米零价铁与四氧化三铁纳米颗粒调控厌氧发酵细菌群落以促进挥发性脂肪酸生产的研究

本研究针对如何提高厌氧消化过程中挥发性脂肪酸（VFA）产量这一关键问题，系统探讨了添加纳米零价铁（nZVI）和四氧化三铁纳米颗粒（Fe3O4-NPs）对葡萄糖厌氧发酵的影响。结果表明，nZVI和Fe3O4-NPs单一添加可分别将VFA产量显著提升至769.9 mg COD L-1和811.7 mg COD L-1，并诱导微生物群落（如富集Syntrophobacter等）发生特异性变化。该研究为利用铁基纳米材料优化废弃物产能系统提供了重要理论依据。

　　

在全球追求碳中和与可持续发展的浪潮中，如何将废弃物“变废为宝”已成为科研界的热点议题。厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）作为一种经典的生物处理技术，不仅能处理有机废弃物，还能产生沼气（主要成分为甲烷）这种可再生能源。然而，科学家们发现，在产生甲烷之前，厌氧消化过程会先产生一类极具价值的中间产物——挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs）。这些短链脂肪酸（如乙酸、丙酸）是合成各种生物基化学品、生物燃料的宝贵原料，其价值甚至可能超过甲烷本身。因此，如果能巧妙地“拦截”并富集这些VFAs，而非让它们全部转化为甲烷，将极大地提升废弃物资源化的经济性和环保效益。

但问题在于，在传统的厌氧消化系统中，VFAs会迅速被产甲烷古菌消耗掉。如何有效抑制产甲烷过程，同时促进并优化VFAs的合成，是当前该领域面临的一大挑战。近年来，导电材料（Conductive Materials, CMs），特别是铁基纳米颗粒（Fe-NPs），如纳米零价铁（nano-Zero Valent Iron, nZVI）和四氧化三铁纳米颗粒（Fe₃O₄-NPs），在提升厌氧消化产甲烷效率方面展现出巨大潜力，它们被认为可以促进微生物间的直接种间电子转移（Direct Interspecies Electron Transfer, DIET）。然而，这些神奇的“纳米助推器”在定向促进VFAs生产方面的潜力和具体机制，却鲜为人知。

正是为了填补这一知识空白，由Nicolás Hoffmann、Gustavo Ciudad、Olga Rubilar等来自智利农业与矿业水研究中心（CRHIAM）的研究团队开展了一项创新性研究，其成果发表在《Environmental Technology》上。他们深入探究了添加nZVI和Fe₃O₄-NPs如何影响以葡萄糖为底物的厌氧发酵过程，特别是对VFAs产量和微生物群落结构的调控作用。

为了开展这项研究，研究人员运用了几个关键的技术方法。他们以智利特木科市污水处理厂的活性污泥作为接种物，在以葡萄糖为底物的合成培养基中进行为期25天的批次厌氧发酵实验。为了专门研究VFAs的积累，实验开始时添加了产甲烷抑制剂2-溴乙烷磺酸盐（2-BES）。实验设置了添加nZVI、Fe₃O₄-NPs、两者混合物（nZVI/Fe₃O₄-NPs）以及不加纳米颗粒的对照组。VFAs的浓度和组成通过气相色谱（Gas Chromatography, GC）进行精确测定。此外，研究团队采用了宏条形码技术（Metabarcoding），通过对16S rRNA基因的V3-V4（细菌）和V6V8（古菌）区域进行高通量测序，并结合生物信息学分析（如使用QIIME2、LEfSe等），深入解析了不同处理下微生物群落的结构和多样性变化。

研究结果

3.1. nZVI、Fe₃O₄-NPs和nZVI/Fe₃O₄-NPs对VFA生产的影响

研究结果显示，nZVI和Fe₃O₄-NPs的添加均能显著提高总VFA产量。经过25天发酵，Fe₃O₄-NPs处理组的总VFA产量最高，达到811.7 mg COD L^-1（酸生成效率 Acidification Efficiency, AE 为53.7%），nZVI处理组次之，为769.9 mg COD L^-1（AE为50.9%）。值得注意的是，VFAs的组成在不同处理间存在差异：nZVI处理下丙酸（Propionic acid）是主要产物，而Fe₃O₄-NPs处理下乙酸（Acetic acid）最为丰富。相比之下，nZVI/Fe₃O₄-NPs混合添加处理的效果不佳，其VFA产量（455.7 mg COD L^-1）与对照组无显著差异，表明两者混合可能产生了拮抗效应。

3.1.4. 微生物群落变化及其对VFA生产的影响

微生物群落分析揭示了纳米颗粒添加引起的深刻变化。α多样性分析表明，nZVI和Fe₃O₄-NPs单一处理保持了较高的香农指数（Shannon index）（分别为4.25和4.11），高于对照组（3.61），说明纳米颗粒的添加在一定程度上维持了微生物群落的丰富度。

在门（Phylum）水平上，厚壁菌门（Firmicutes）在所有样品中都是最优势的菌门（相对丰度23%-61%），其在对照组中丰度最高。而nZVI和Fe₃O₄-NPs的添加显著降低了厚壁菌门的相对丰度，同时促进了其他功能菌群的生长。在属（Genus）水平上，变化更为明显：

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  nZVI的添加显著富集了互养杆菌属（Syntrophobacter）（属于脱硫杆菌门Desulfobacterota），其相对丰度从对照组的约7%增加到16%。Syntrophobacter是已知的丙酸氧化细菌，它的富集与nZVI处理组中较高的丙酸产量相符。
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  氢孢菌属（Hydrogenispora）（属于厚壁菌门）在多个处理中被检测到，它与乙酸的生成有关。
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  值得注意的是，在对照组和nZVI/Fe₃O₄-NPs混合处理组中，赖氨酸芽孢杆菌属（Lysinibacillus）的丰度较高，而该菌已知可降解VFAs，这可能是这两个处理组VFA产量较低的原因之一。
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  Fe₃O₄-NPs处理也观察到了微生物群落的特异性变化，但与nZVI处理的效果不同。

4. 讨论

本研究得出结论，nZVI和Fe₃O₄-NPs能够有效地将厌氧发酵导向有价值的VFA生产，并且这种促进作用是通过改变微生物群落结构实现的。nZVI主要通过促进像Syntrophobacter这样的互养丙酸氧化细菌的生长来驱动丙酸的产生，而Fe₃O₄-NPs则可能通过其他途径（如作为电子穿梭体）更有利于乙酸的产生。

研究人员在讨论中提出了潜在的作用机制。在产甲烷过程被抑制的情况下，nZVI和Fe₃O₄-NPs可能并非主要通过促进DIET来发挥作用，而是通过其他方式刺激发酵代谢。例如，nZVI在水溶液中腐蚀会释放氢气（H₂）和亚铁离子（Fe²⁺），这有助于维持体系的氧化还原平衡，避免发酵过程中氢分压过高对产酸菌产生反馈抑制，从而使得像Syntrophobacter这样对氢分压敏感的细菌能够更好地生长和代谢。同时，铁离子作为许多关键酶（如氢酶）的辅助因子，其可用性的增加也可能整体提升了微生物的代谢活性。对于nZVI/Fe₃O₄-NPs混合添加效果不佳的原因，作者推测可能是由于同时存在强电子供体（nZVI）和电子穿梭体（Fe₃O₄），导致了细胞内氧化还原辅因子（如NAD⁺/NADH）的失衡，反而干扰了正常的发酵途径。

综上所述，这项研究不仅证实了nZVI和Fe₃O₄-NPs在强化VFA生产方面的有效性，还初步揭示了其背后复杂的微生物学机制。该研究为未来设计基于纳米材料的精准调控策略，以实现废弃物高效转化为高值化学品提供了重要的科学依据和实践指导，对推动循环经济和能源可持续发展具有重要意义。