柠檬酸的双重作用：促进CO2生物转化为CH4并提升零价铁生物利用度

为解决Fe0介导的CO2生物转化中FeCO3钝化层抑制反应效率的问题，研究人员通过添加柠檬酸（CA）作为Fe2+配体，结合抗生素抑制CA降解，显著提升CH4产量至38 ml（较对照组增加16 ml），揭示了CA通过维持铁溶解度和抑制沉淀的双重机制优化产甲烷过程，为低碳能源技术提供新策略。

　　

全球工业化推动经济发展的同时，2022年二氧化碳（CO₂）排放量仍增长0.8%，加剧了气候变化问题。生物转化CO₂为甲烷（CH₄）因其环境友好和能源回收潜力备受关注，但零价铁（Fe⁰）在反应中易形成碳酸亚铁（FeCO₃）钝化层，阻碍电子传递和氢气（H₂）生成，限制转化效率。针对这一瓶颈，塞浦路斯理工大学（Cyprus University of Technology）的Despina Constantinou和Ioannis Vyrides团队创新性地引入柠檬酸（CA）作为铁离子配体，结合抗生素选择性抑制细菌活性，系统解析了CA在生物和非生物条件下的双重作用机制，相关成果发表于《Journal of Environmental Management》。

研究采用165 ml厌氧血清瓶体系，以洗涤后的乳品废水处理厂厌氧颗粒污泥（AGS）为接种物，设置含30 mM Fe⁰、NaHCO₃和CA的实验组，并引入青霉素-链霉素-两性霉素B复合抗生素（5% v/v）抑制细菌代谢。通过50天持续监测H₂和CH₄产量，结合化学计量分析阐明反应路径。

Abiotic tests for hydrogen production
非生物实验显示，含CA的Fe⁰体系（Bic-CA-Fe）产氢量最高（39.5 ml/50天），证实CA通过形成Fe²⁺-柠檬酸盐复合物延缓FeCO₃沉淀，维持持续腐蚀产氢。

Methane production in biotic systems
生物体系中，含CA与抗生素的Fe⁰组别净CH₄产量达16 ml（总量38 ml），显著高于无Fe⁰对照组（22 ml），表明CA通过双重途径增效：（1）配体作用稳定Fe²⁺溶解度；（2）抑制FeCO₃覆盖Fe⁰表面，保障持续电子释放驱动CO₂还原。

CA biodegradation analysis
未添加抗生素时，CA被代谢为乙酸和CO₂，间接促进产甲烷。抗生素的引入有效区分了CA的化学配体效应与生物底物效应，为机制解析提供关键对照。

该研究首次量化了CA在Fe⁰介导产甲烷中的双重角色，突破性地提出短期CA暴露（<12 h）或替代配体的优化方向，避免长期依赖抗生素。其意义在于：（1）阐明FeCO₃钝化层是限制CO₂生物转化效率的关键靶点；（2）建立CA浓度-铁溶解度-电子传递-甲烷产量的定量关系；（3）为工业级生物燃气生产提供低成本（CA价格低廉）且环境兼容（CA可生物降解）的强化方案。未来研究可探索其他有机酸配体与Fe⁰的协同效应，或结合纳米铁材料进一步提升反应动力学。