硫改性碳铁复合材料促进碳链延伸提升己酸生物合成效率

针对有机废物资源化中碳链延伸(CCE)效率低、电子传递受限的瓶颈问题，研究人员创新性开发硫改性碳铁复合材料(BC[S-Fe1/5 ])，通过稳定纳米零价铁(Fe0 )、增强氧化还原活性，使己酸产量提升83%至6914 mg·L?1 ，并揭示其通过富集电活性菌群（如Rummeliibacillus suwonensis）、上调电子传递基因的协同机制，为微生物电化学系统优化提供新策略。

　　

在有机废物资源化领域，传统沼气发酵面临经济价值低的技术瓶颈，而通过碳链延伸(CCE)将短链脂肪酸转化为高值己酸（caproate，C6）成为新方向。然而，CCE过程高度依赖电子供体（如NADH）的供给效率，现有技术存在电子传递速率低、微生物代谢活性不足等核心问题。尽管生物炭(BC)和纳米零价铁(Fe⁰
)被证实可促进电子传递，但Fe⁰
易氧化失活限制了其长期稳定性。针对这一挑战，研究人员提出通过硫改性策略开发新型碳铁复合材料，以突破CCE效率的极限。

来自中国的研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究中，采用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等技术表征材料特性，结合宏基因组学和实时定量PCR分析微生物群落及功能基因。实验以热处理后的厌氧污泥为接种源，通过添加2-溴乙磺酸钠(SBES)抑制产甲烷菌，构建CCE反应体系，重点比较了BC[S-Fe]与传统BC[Fe]的性能差异。

材料表征显示，硫改性使BC[S-Fe^1/5
]（S:Fe=1:5）中的Fe⁰
形成核壳结构，表面硫化铁层有效防止氧化，同时XPS证实硫掺杂降低了Fe⁰
的电子云密度，增强其还原活性。

性能分析表明，BC[S-Fe^1/5
]组己酸产量达6914 mg·L^?1
，较对照组提升83%，碳转化效率提高58%。其优势源于三方面机制：1）富集电活性细菌如Rummeliibacillus suwonensis（相对丰度增加2.1倍），该类菌携带更多细胞色素c和氢化酶基因；2）上调CCE关键基因（如CAP_0463编码的酰基-CoA转移酶）；3）通过增强生物膜形成和群体感应（luxS基因表达量提升3.8倍）优化微生物互作网络。

结论与意义：该研究首次将硫改性碳铁复合材料应用于微生物CCE系统，通过“材料-微生物-基因”三级调控，解决了电子传递效率低和Fe⁰
稳定性差的难题。BC[S-Fe^1/5
]的核壳结构设计和硫铁协同效应，为功能性微生物载体的开发提供了新思路。该成果不仅推动有机废物高值化利用技术的发展，也为环境微生物电化学系统的工程化应用奠定理论基础。