综述：纳米工程生物质增值的当前挑战：从生物质发酵全过程的综合视角

本文全面综述了纳米技术在生物质发酵产氢过程中的应用。从生物质预处理、酶水解到生物制氢，纳米材料（NPs）可提升效率，但也面临成本、毒性等问题。还探讨了技术经济分析（TEA）和碳中性，为该领域发展提供参考。

　　### 纳米技术在生物质发酵产氢中的应用综述

一、引言

随着化石燃料的快速消耗和环境问题的日益严峻，寻找可持续的能源替代品成为全球研究的热点。生物制氢作为一种绿色环保的技术，受到了广泛关注。黑暗发酵（DF）因具有诸多优势，被视为生物制氢的有效途径之一。木质纤维素生物质（LB）来源丰富，是生物制氢的理想原料，但生物氢产量低和底物转化效率不稳定限制了其实际应用。纳米材料的添加为提高生物制氢效率提供了新的思路，不过目前纳米材料在生物质发酵中的应用尚处于起步阶段。本文将从生物质发酵的全过程，系统分析纳米技术在提升生物制氢经济可行性方面的作用。

二、LB 到黑暗发酵生物制氢：关键概念

DF 的能量转换效率较低，缺乏商业可行性。LB 虽富含葡萄糖，但其结构的异质性使得微生物难以降解，需要进行预处理以提高其生物可利用性。预处理方法包括化学、物理、生物技术和物理化学等，可加速酶解效率。纤维素酶在酶解过程中起着关键作用，但其成本高、效率低且性能不佳。

微生物种类在生物氢发酵中至关重要，不同的产氢细菌（HPB）如Clostridium Sp.、E. aerogenes等，具有将有机原料转化为生物氢的潜力。它们的生物氢代谢途径各异，例如E. aerogenes可通过烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和丙酮酸：甲酸裂解酶（PFL）途径进行代谢。此外，嗜热厌氧细菌在较高温度下可从 LB 产生更多生物氢。

三、纳米材料在 LB 预处理中的作用

由于 LB 的固有抗性，其发酵产氢需要预处理。传统的化学和生物预处理方法存在成本高、效率低等问题。纳米材料（NPs）及其分散体可提供类似化学预处理的催化性能，去除半纤维素和木质素。例如，Fe₃O₄ NPs 在较低温度下可实现较高的木质素去除率，降低化学消耗和运营成本。将生物方法与纳米材料结合，可提高生物质的水解效率。对用于生物质预处理的纳米材料进行改性，也能促进生物质的生物能源转化效率。然而，目前关于纳米材料用于生物质预处理的研究还较为有限，其潜在机制有待进一步探索。

四、纳米材料促进 LB 的酶水解

生物质预处理后，酶水解是释放还原糖（RS）用于生物制氢的关键过程。纳米材料的引入可通过微生物技术影响纤维素酶的效率。

1. 磁性纳米材料：磁性纳米催化剂可用于固定多种酶，提高其稳定性。如氧化铁固定的纤维素酶虽在第一轮水解中略逊于游离酶，但可重复使用三次。多孔二氧化硅纳米颗粒（PSNs）因其独特结构，广泛应用于酶固定化。此外，含有锰（Mn）、镍（Ni）和钴（Co）等元素的 NPs 也被用于研究对酶稳定性的影响，不同纳米催化剂处理的纤维素酶在热稳定性方面表现各异。同时，纳米材料对微生物增殖和酶产量的影响因浓度和类型而异，生物相容性也是纳米催化剂的重要特性。
2. 碳基和碳复合微纳米材料：碳纳米管（CNTs）因可再生和低成本成为有潜力的纳米材料，多壁碳纳米管（MWCNTs）在酶固定化方面表现更优，可提高生物氢发酵性能。石墨烯等碳纳米材料也有助于生物质的生物转化。复合纳米材料可实现酶的轻松回收，多种复合纳米材料用于固定纤维素酶，在多次循环使用后仍能保留一定的酶活性。
3. 金属有机框架（MOF）：MOF 是一种具有大表面积和可控多孔结构的三维基质，可维持酶的稳定性和理化性质。例如，NH₂- 功能化的 UiO-66-NH₂ MOF 与纤维素酶结合，可提高酶的稳定性和可重复使用性。不同 MOF 对酶的负载能力和稳定性不同，且在酸性条件下的稳定性也有所差异。

五、纳米材料促进黑暗发酵生物制氢

纳米技术的发展为黑暗发酵生物制氢带来了新机遇。

1. 零价铁（ZVI）纳米催化剂的影响及微生物群落动态
   • ZVI NPs 的合成：ZVI NPs（nZVI）的反应性和迁移率受多种因素影响，如尺寸、表面性质、封端材料和制备方法等。nZVI 可通过化学或物理技术制备，不同类型的 nZVI 在生物能源生产中具有不同的作用。
   • 添加 ZVI 修饰的 NPs 促进生物氢生产：nZVI 作为添加剂可加速生物氢发酵，提高生物氢产量。但过量添加可能对微生物有毒性，抑制酶活性，其最佳剂量因底物和实验条件而异。在发酵过程中，nZVI 氧化产生的 Fe²⁺可参与细胞代谢，影响生物氢发酵。
   • 有效缓解生物质发酵中的抑制剂：nZVI 具有去除有机和无机有害污染物的能力，在厌氧条件下，可缓冲酸化引起的酸冲击，调节系统 pH 值。同时，它还能去除生物废物中的金属离子，减轻其对厌氧消化的抑制作用。
   • 在微生物群落功能和演替中的作用：nZVI 对生物氢发酵中的细菌群落结构有显著影响，可富集与生物废物水解相关的功能细菌和产氢协同细菌。适量添加 nZVI 可调节氢压和氧化还原电位（ORP）水平，促进Clostridium sp. 等高产氢细菌的富集，提高生物氢产量。此外，nZVI 还能影响基因表达，促进关键酶的合成，但具体机制尚不清楚。
   • nZVI 与其他添加剂协同促进生物氢发酵：nZVI 与其他添加剂联合使用，比单独使用效果更好。例如，nZVI 与 Ni²⁺ NPs 或碳物质联合使用，可显著提高生物氢产量。
   
   
2. 金属氧化物 NPs 对生物氢发酵的影响
   • 提高生物氢生产效率：金属氧化物 NPs 可用于改善厌氧发酵产氢。其中，氧化铁 NPs 应用最为广泛，适量添加可提高生物氢产量，但过量添加则会降低产量。镍氧化物、钴氧化物等其他金属氧化物 NPs 也可作为添加剂提高生物氢产量，且多种金属氧化物联合添加的效果优于单独添加。
   • 作用机制：金属氧化物纳米材料可富集 HPB，改变代谢机制，加速电子转移，从而提高微生物和酶的活性。它们还能调节氢化酶的电子和碳流，增强电子转移，促进生物氢发酵。此外，金属氧化物纳米材料可作为生物催化剂，提高关键酶和微生物的活性，改变代谢途径，促进生物氢的产生。
   
   
3. 生物氢发酵中的新兴纳米材料：二元磁性 NPs 在生物氢生产中展现出巨大潜力，如 CaFe₂O₄ NPs、CoFe₂O₄ NPs 等，可提高生物氢产量，促进底物的生物转化。但过量添加会降低生物氢产量，其作用机制和性能仍需进一步研究。

六、木质纤维素生物氢的技术经济分析（TEA）和社会意义

1. 生物氢生产的 TEA
   • TEA 在生物能源生产中的应用：经济可行性是木质纤维素生物氢商业化的关键，TEA 是评估生物能源生产可行性的重要方法，包括敏感性分析、现金流分析等。通过 TEA，可识别生物能源项目的风险因素和关键要素，帮助生产者选择最有利可图的方案，评估不同原料和处理技术，对生物炼制项目的设计和实施具有重要影响。
   • 生物氢生产可行性的关键经济因素：影响生物氢生产经济可行性的因素包括市场需求、资本成本和运营成本。运营成本涵盖收获、运输、加工、生物质预处理和废物管理等多个方面，降低这些成本对生物氢生产的可行性至关重要。市场需求与化石燃料定价密切相关，提高生产技术和生物转化效率可增加市场需求，采用多产品收入策略可增强生物炼制厂对市场波动的抵御能力。
   
   
2. 可持续生物氢生产的碳中性：碳中性和环境影响是生物质预处理技术发展中必须考虑的重要指标。不同预处理技术的环境影响和碳排放量不同，生物质作为生物氢生产的原料，具有实现碳中性的潜力。引入碳捕获和存储技术、采用生物预处理技术等，可提高生物氢生产的碳中性，减少环境影响，促进循环经济的发展。

七、局限性和展望

纳米技术在生物氢生产中的应用虽取得了一定进展，但仍面临诸多挑战。目前大多数研究在实验室条件下进行，纳米添加剂的规模化应用面临成本高、缺乏合适数学模型、纳米颗粒回收困难等问题。此外，纳米材料的毒性以及最佳剂量难以预测等问题也限制了其应用。未来需要开展更多研究，优化纳米材料的添加，评估其对环境和生物的影响，开发低成本合成催化剂，并进行大规模试验，以推动纳米技术在生物氢生产中的应用。

八、结论

纳米技术在生物质发酵产氢过程中具有重要作用，从生物质预处理到产氢细菌的活性调节，都能加速生物制氢过程。纳米材料固定关键酶可降低成本，碳基纳米复合材料的重复使用率较高。零价铁纳米颗粒可促进电子转移，但过量使用会产生毒性。多种添加剂联合使用可提高生物氢产量，新兴纳米材料也展现出应用潜力。然而，要实现商业化，还需进一步优化纳米材料的应用，开展大规模试验，并制定相关政策促进其发展。