Fe3O4掺杂绿色碳化纳米颗粒通过调控氢化酶基因与微生物多样性提升暗发酵微生物电氢系统产氢效率

本研究针对传统生物制氢效率低下的问题，创新性地利用蔬菜叶片合成的Fe3O4掺杂碳化纳米颗粒(VLCFe3O4-NPs)，在暗发酵耦合微生物电氢系统(DF-MECs)中激活Fe-Fe/Ni-Fe氢化酶基因表达并优化微生物群落。实验表明500 mg/L NPs使产氢量提升118%，同时显著上调hucL和Cbei1773基因表达23-30倍，为绿色纳米材料在可再生能源领域的应用提供了新范式。

　　

随着全球能源转型需求日益迫切，生物氢(Bio-H₂)因其能量密度高达120-142 MJ/kg且仅产生水蒸气的环保特性备受关注。然而传统制氢方法如蒸汽重整存在高能耗、依赖化石燃料等缺陷，而暗发酵(DF)技术虽能利用有机废弃物产氢，却面临氢化酶活性不足、微生物群落失衡导致的效率瓶颈。中国科学院资源与环境学院的研究团队在《Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology》发表的研究中，开创性地将蔬菜废弃物转化为Fe₃O₄掺杂碳化纳米颗粒(VLCFe₃O₄-NPs)，通过调控氢化酶基因与微生物群落结构，实现了暗发酵耦合微生物电氢系统(DF-MECs)的产氢效率突破。

研究采用北京怀柔污水处理厂的厌氧消化污泥作为接种体，通过90°C热处理抑制产甲烷菌后，构建250 mL工作体积的DF-MECs反应器。关键技术包括：1）以菠菜/卷心菜为原料的绿色纳米颗粒合成与表征（SEM/XRD/BET等）；2）不同浓度NPs(25-750 mg/L)对DF-MECs系统的产氢性能测试；3）高通量16S rDNA测序分析微生物群落；4）RT-qPCR定量氢化酶基因(hucL/Cbei1773)表达。

3.1 纳米颗粒表征
通过多尺度表征证实VLCFe₃O₄-NPs具有立方晶型结构（XRD显示18.2°和35.42°特征峰），平均粒径20 nm（TEM），比表面积2.81 m²/g（BET）。XPS分析显示Fe²⁺/Fe³⁺混合价态（710.0 eV和725.0 eV结合能），FTIR证实羟基（3205 cm^-1）和羧酸基（1617 cm^-1）的存在，这些特性共同促进微生物电子传递。

3.2 生物产氢性能
500 mg/L NPs组获得最高产氢量375.33 mL/g葡萄糖，较对照组提升118%。Gompertz模型显示最大产氢速率达19.83 mL/g/h，但750 mg/L时因铁离子毒性导致效率下降。挥发性脂肪酸(VFAs)分析表明乙酸浓度随NPs添加增加61%，证实NPs促进底物代谢。

3.3 微生物群落影响
16S rDNA测序显示Firmicutes门占比超98%，其中Clostridium_sensu_stricto_1在500 mg/L组相对丰度提升至14.6%（对照组4.9%）。NPs通过提供铁源和碳基质，特异性富集产氢菌群并抑制甲烷菌。

3.4 氢化酶基因调控
RT-qPCR显示500 mg/L NPs使Fe-Fe氢化酶基因hucL表达上调23倍，Ni-Fe氢化酶基因Cbei1773上调30倍，直接关联产氢效率提升。

该研究首次证实植物源纳米颗粒可通过"基因-微生物"双途径协同增效生物制氢：1）纳米级Fe₃O₄提供氢化酶活性中心铁簇；2）碳骨架作为微生物生长基质；3）优化电子传递链效率。Hikmatullah Ahmadi等学者发展的绿色合成策略，为可再生能源生产提供了成本低廉（较化学合成法降低30%）、环境友好的纳米技术解决方案，其118%的产氢提升幅度为目前同类研究最高记录之一。这项成果不仅推动DF-MECs系统向工业化应用迈进，更为实现"碳中和"目标提供了创新技术路径。