旋转鼓式反应器集成毫磁铁矿强化餐厨垃圾暗发酵产氢机制研究

针对餐厨垃圾暗发酵(Dark fermentation)产氢存在水解速率慢、产氢效率低的瓶颈问题，中国农业大学团队创新性地开发了集成毫磁铁矿(milli-magnetite)的旋转鼓式反应器(RD-M)。研究通过机械-生化协同作用，使氢产量提升97.04%，并揭示其通过促进电子传递链、富集产丁酸梭菌(Clostridium)及调控铁代谢等机制实现发酵途径向乙酸-丁酸路径转变，为固体废弃物资源化提供了新策略。

　　

随着全球能源转型与碳中和目标的推进，生物制氢技术因其零碳排放特性备受关注。其中，利用餐厨垃圾等有机废弃物通过暗发酵(Dark fermentation)产氢，既能实现废弃物资源化，又可生产清洁能源，被认为是最具应用潜力的技术路径之一。然而，该技术长期面临两大核心瓶颈：一方面，餐厨垃圾中纤维素等顽固结构导致水解效率低下；另一方面，复杂的微生物群落常引发非产氢代谢途径（如乳酸途径）或耗氢途径（如丙酸途径），使实际产氢量远低于理论值（4 mol H₂
/mol葡萄糖）。传统解决方案如纳米磁铁矿添加剂虽能提升产氢率7.9-67.2%，但存在成本高、回收难、潜在毒性等问题，严重制约规模化应用。

针对这些挑战，中国农业大学的研究团队在《Bioresource Technology》发表了一项突破性研究。他们巧妙设计了一种集成毫磁铁矿(milli-magnetite)的旋转鼓式反应器(Rotational Drum Reactor, RD-M)，通过机械研磨与生化刺激的协同作用，成功将马铃薯皮的氢产量提升97.04%。这一创新不仅解决了纳米材料应用的工程难题，更通过多组学分析揭示了铁基材料调控微生物代谢的全新机制。

研究团队采用三项关键技术：1）构建旋转鼓式反应器系统，设置实验组(RD-M)与沙粒对照组(RD-S)、空白对照组(RD-C)；2）通过激光粒度仪监测底物粒径分布，结合挥发性固体(VS)降解率评估水解效率；3）运用宏基因组学解析微生物群落结构及功能基因表达差异，重点分析氢化酶(hydrogenase)、细胞色素c(cytochrome-c)等关键蛋白编码基因。

【Particle size variation】
通过粒径分析发现，RD-M系统将1500-4500 μm的原料高效粉碎至100-500 μm优势区间，较RD-C提升23.6%的VS降解率。这种机械强化作用显著增大了微生物-底物接触面积，为后续发酵奠定基础。

【代谢途径转变】
代谢产物检测显示，RD-M组乙酸(acetate)和丁酸(butyrate)浓度分别达到4.8 g/L和3.2 g/L，占总VFAs的78.6%，显著高于RD-C组的56.3%。这种向乙酸-丁酸路径的转变与产氢效率呈正相关，因为该途径每分子葡萄糖可产生4分子H₂
，而乳酸途径则不产氢。

【微生物群落重构】
16S rRNA测序表明，RD-M中产丁酸梭菌(Clostridium butyricum)相对丰度达41.7%，是对照组的2.3倍。这类菌株含有[Fe-Fe]氢化酶基因簇，能直接将电子传递给质子产氢。

【电子传递机制】
宏基因组分析揭示，毫磁铁矿通过三重机制优化电子流：1）上调鞭毛蛋白(flagellin)基因促进微生物直接种间电子传递(DIET)；2）激活细胞色素c氧化酶(cytochrome-c oxidase)增强跨膜电子转移；3）通过铁氧还蛋白(pyruvate ferredoxin)将电子分流至丁酸途径，减少电子浪费。

这项研究首次证实了毫磁铁矿在暗发酵中的多维度调控作用：物理上作为研磨介质促进水解，生化上作为电子导体优化代谢流分配。其提出的"机械-生化协同强化"策略，突破了传统添加剂技术的局限性，为开发低成本、易回收的工业级生物制氢系统提供了理论依据。更值得关注的是，研究发现铁代谢与丁酸途径的耦合效应，这为通过金属元素调控微生物群落功能开辟了新思路。该技术的推广应用，有望实现餐厨垃圾处理从"能源消耗型"向"能源生产型"的根本转变，对推动循环经济发展具有重要示范意义。