Fe2O3纳米颗粒通过ROS-微生物协同效应提升玉米秸秆好氧发酵产热效率及资源化利用研究

为解决农业秸秆资源利用率低、传统好氧发酵效率不足的问题，研究人员系统探究了Fe2O3纳米颗粒（NPs）在玉米秸秆发酵中对木质纤维素生物氧化及产热的调控机制。结果表明，Fe2O3 NPs通过Fenton-like反应产生活性氧（ROS）和重塑微生物群落，使纤维素降解率提升13.60%，峰值产热速率达2.25 W/kg（较对照组提高15.38%），为农业废弃物高效资源化提供了新策略。

　　

每年全球产生约1.5–2.0×10¹¹吨农业秸秆，但利用率不足3.5%，大部分被焚烧或废弃，造成资源浪费和环境污染。传统秸秆好氧发酵存在启动困难、周期长、温度低等问题，而生物热效应作为发酵核心驱动力，其效率直接影响有机质矿化与腐殖化进程。如何通过调控技术提升木质纤维素降解和产热效率，成为农业废弃物资源化利用的关键挑战。

针对这一难题，哈尔滨周边农田采集的玉米秸秆（含80%木质纤维素）被选为研究对象。研究人员通过对比Fe₂O₃纳米颗粒（NPs）与亚微米颗粒（SMPs）的作用差异，揭示了纳米材料尺寸效应对发酵产热的调控机制。研究发现，Fe₂O₃ NPs通过双重路径提升效率：一方面通过Fenton-like反应产生活性氧（ROS）攻击纤维素β-1,4糖苷键，加速大分子解聚；另一方面诱导微生物代谢通量重分配，促使更多葡萄糖进入分解代谢途径。最终，Fe₂O₃ NPs处理组的纤维素降解率在30天内达42.53%，峰值产热速率较对照组提高15.38%，且显著缩短发酵周期。这项发表于《Journal of Environmental Management》的研究，为农业废弃物处理提供了基于铁氧化还原循环的生物强化策略。

关键技术方法包括：扫描电镜（SEM）表征材料形貌、纳米颗粒粒径/Zeta电位分析、ROS（•OH和H₂O₂）定量检测、微生物群落高通量测序、热量测定系统实时监测产热速率等。

材料与实验设计
通过SEM确认Fe₂O₃ NPs（纳米级）与SMPs（亚微米级）的形貌差异，结合粒径分析明确其比表面积特性，为后续尺寸效应研究奠定基础。

发酵过程中理化性质演变
动力学分析显示，Fe₂O₃ NPs组的有机质降解速率常数是对照组的2.11倍，且维持较高丰度的Bacillota菌门，优化了微生物群落功能。

结论
研究证实Fe₂O₃ NPs的纳米尺寸效应使其比SMPs更具催化优势：其高比表面积促进ROS持续生成，同时作为酶辅因子支持木质纤维素降解酶活性。该策略不仅提升发酵温度，还可将余热应用于农村供暖、温室种植等领域，实现"废弃物-能源-农业"的闭环利用。

这项由黑龙江省重点研发计划（2023ZX002B03）和国家重点研发计划（2022YFF1300504）支持的研究，为纳米材料在有机固废处理中的应用提供了理论依据和技术范式。