在H?PO?活化的偏高岭土上合成和表征了地质聚合物微球，并研究了其对F?的吸附-固定性能

《Journal of Cleaner Production》：Synthesis and characterization of geopolymer microspheres at H 3PO 4 activated metakaolin and adsorption-immobilization performance of F?

高固体厌氧消化（HSAD）中，新型多维度电活性材料Ni-N-BC通过增强微生物电子传递和酶活性，显著提升秸秆与猪粪混合体系的甲烷产量（提高74.4%）和挥发性脂肪酸（VFA）转化速率（加快30%），并重构代谢途径。生命周期评估（LCA）显示其具有环境效益（NEBR=1.8，GWP降低2.88 kg CO2 eq/吨），但需关注酸化污染风险。

　　高固体厌氧消化（HSAD）是一种处理农业废弃物的有效技术，其特点是固体含量高于15%。然而，HSAD系统在实际应用中面临两个主要瓶颈：挥发性脂肪酸（VFA）抑制和共代谢电子传递效率低下。这些问题限制了HSAD在大规模有机固体废弃物处理中的应用潜力。为了应对这些挑战，本研究开发了一种新型的多维电活性材料Ni-N-BC，并评估其在提升HSAD效率方面的作用。同时，研究还深入探讨了该材料如何通过影响微生物代谢路径和电子传递过程，改善HSAD的性能。

HSAD技术因其较高的甲烷产量、较小的反应器体积以及较低的加热能耗而备受关注。然而，由于固体含量高，HSAD系统中的物质传递受到阻碍，导致微生物之间的电子传递效率降低，从而影响整个消化过程的效率。此外，高浓度的VFA会抑制甲烷生成菌的活性，使得系统运行不稳定。为了解决这些问题，研究人员探索了添加导电材料的可能性。导电材料如生物炭、活性炭和磁铁矿等已被证明可以缓解系统中的氨抑制和酸积累问题，从而提升HSAD的性能。这些材料不仅有助于形成生物膜，还能促进某些产酸菌和甲烷菌之间直接的物种间电子传递（DIET），加速有机物的分解和甲烷的生成。

生物炭（BC）作为一种三维多孔材料，具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，有利于微生物的附着和生长。它还能提供大量的反应位点和更高效的电子传递通道。然而，碳基导电材料的导电性通常低于铁基材料，且难以同时增强DIET和提升水解酶的活性。因此，研究人员尝试通过氮掺杂和镍负载来优化生物炭的性能。氮元素是一种高电负性非金属元素，其掺杂可以增加生物炭表面的导电位点，从而提升材料的导电能力。此外，氮掺杂还能改变生物炭表面的化学性质，增加表面官能团的种类和数量。镍则是一种微生物细胞合成中的重要微量元素，参与多种关键酶的合成，如CO脱氢酶、乙酰辅酶A合成酶和甲基辅酶还原酶等。通过将镍颗粒分散在生物炭表面，形成局部的纳米结构，可以进一步增强材料的导电性，并提供更高效的电子传递通道。

本研究中，Ni-N-BC材料结合了生物炭的三维多孔结构、氮掺杂的二维表面修饰以及镍负载的局部纳米结构。这种多维结构不仅提升了材料的导电能力，还为微生物提供了更丰富的反应位点和更高效的电子传递路径。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等表征技术，研究人员发现Ni-N-BC材料中存在丰富的氧化还原活性基团，包括吡咯氮、吡啶氮以及Ni2?/Ni?等。这些基团的存在表明材料具有良好的电活性，能够有效促进微生物之间的电子传递。

在批次实验中，Ni-N-BC材料显著提升了HSAD系统的甲烷产量，相较于对照组，甲烷产量提高了74.4%。同时，VFA的转化速度也加快了30%。这些结果表明，Ni-N-BC材料能够有效促进有机物的分解，并减少VFA的积累，从而缓解其对甲烷生成菌的抑制作用。此外，通过酶活性测定，研究人员发现Ni-N-BC材料能够显著增强水解/酸化酶的活性，提高2.3倍，同时提升甲烷生成共酶F???的水平，提高1.8倍。这些酶活性的提升进一步支持了Ni-N-BC材料在促进HSAD过程中所起的关键作用。

电化学分析结果表明，Ni-N-BC材料具有优异的电子传递能力，能够有效促进共代谢细菌（如Geobacter和Syntrophus）以及甲烷菌（如Methanobacterium和Methanosarcina）之间的直接物种间电子传递（DIET）。这种电子传递能力的增强不仅提高了有机物的分解效率，还促进了甲烷的生成。通过宏基因组分析，研究人员发现Ni-N-BC材料能够重新构建微生物的代谢路径，使氢营养型和乙酸营养型甲烷生成基因的表达水平提高了1.5到2.0倍。这些基因的表达增强表明，Ni-N-BC材料能够有效促进甲烷生成的代谢过程，提高系统的整体效率。

然而，任何新技术的推广都必须考虑其环境影响。本研究通过生命周期评估（LCA）分析了Ni-N-BC材料在HSAD系统中的环境影响。结果表明，Ni-N-BC材料在陆地和水体酸化方面有一定的贡献，分别为37×10?3 kg SO? eq和46×10?3 kg MJ。但值得注意的是，Ni-N-BC材料通过提高甲烷产量和加速VFA转化，实现了净环境效益比（NEBR）为1.8，并减少了全球变暖潜力（GWP）2.88 kg CO? eq/吨。这表明，尽管Ni-N-BC材料在某些方面可能带来环境负担，但其整体环境效益仍然显著，能够支持HSAD系统的可持续发展。

此外，本研究还探讨了Ni-N-BC材料的经济价值。通过经济收益分析，研究人员发现该材料不仅能够提升HSAD系统的性能，还能降低运行成本，提高能源回收率。这些经济收益使得Ni-N-BC材料在实际应用中具有更高的可行性。然而，材料的生产过程和后续处理也必须进行优化，以减少其对环境的潜在影响。例如，氮掺杂和金属负载可能增加生产过程中的碳足迹和金属渗出风险，因此需要进一步研究这些材料的可持续生产和处理方法。

综上所述，本研究通过开发一种新型的多维电活性材料Ni-N-BC，成功提升了HSAD系统的性能。该材料不仅能够有效促进微生物之间的电子传递，还能增强甲烷生成的代谢路径，提高甲烷产量并减少VFA的积累。通过生命周期评估和经济收益分析，研究还证明了Ni-N-BC材料在环境和经济方面的双重效益，为HSAD技术的优化和可持续发展提供了理论依据。未来的研究可以进一步探索Ni-N-BC材料在不同农业废弃物处理中的应用潜力，并优化其生产和处理流程，以实现更高的环境效益和经济价值。