牡蛎壳固定纳米零价铁强化富碳水化合物餐厨垃圾产甲烷：表征、性能与机制

为解决餐厨垃圾厌氧消化(AD)过程中易酸化、甲烷(CH4)产率低的问题，研究人员开发了牡蛎壳固定纳米零价铁(OS-nZVI)复合材料。该材料通过pH缓冲、提供CO2/H2、促进直接种间电子转移(DIET)等机制，使CH4产量提升至578 mL/g-VS（对照组5倍），并富集Methanothrix等产甲烷菌及Geobacter等DIET相关菌群。该研究为餐厨垃圾资源化提供了高效环保的新策略。

　　

随着全球能源需求增长和餐厨垃圾产量激增（2022年达10.5亿吨），如何高效转化富碳水化合物垃圾成为关键挑战。这类垃圾在厌氧消化(AD)中易因挥发性脂肪酸(VFAs)积累导致系统崩溃，传统方法如共消化或添加碱性剂效果有限。济南大学的研究团队创新性地利用废弃牡蛎壳(OS)固定纳米零价铁(nZVI)，开发出兼具pH缓冲、电子传递和微生物载体功能的OS-nZVI复合材料，相关成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

研究采用宏转录组学和微生物群落分析等技术，以校园食堂富碳水化合物垃圾（含77.8%VS碳水化合物）为底物。通过优化nZVI负载量（20%）、投加量（10 g/L），结合扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等表征手段，系统评估材料性能。

材料特性
OS-nZVI具有412 m²/g比表面积和1.12 S/cm电导率，其多孔结构有效防止nZVI团聚，CaCO₃缓释特性维持体系pH 6.8-7.2。

产甲烷性能
实验组CH₄产量达578 mL/g-VS，滞后期缩短67%，消化周期减少40%。机理分析表明：1）nZVI腐蚀消耗H⁺并释放H₂；2）OS分解提供CO₂促进氢营养型产甲烷；3）材料表面富集Petrimonas等发酵菌与Methanosarcina（相对丰度提升3.8倍）。

微生物机制
宏转录组显示DIET关键基因Fpo（产甲烷辅酶F₄₂₀氧化酶）和Rnf（铁氧还蛋白还原酶）表达上调2.1-3.3倍，证实OS-nZVI通过促进电子转移强化种间互作。

该研究首次将OS-nZVI应用于AD系统，不仅实现废弃物高值化利用（牡蛎壳利用率达92%），更为中国2030年300亿立方米沼气产能目标提供了技术支撑。材料的多功能协同设计思路（pH缓冲-电子传递-微生物载体）为复杂有机废物处理提供了新范式，其环境友好特性（铁腐蚀产物可作为微量元素）具有工业化应用潜力。Xiaofan Ding等强调，未来需优化OS-nZVI在含脂类垃圾中的适用性，并探索连续流反应器的长期运行稳定性。