氧化铁和镍纳米颗粒补充对厌氧污泥消化过程的协同效应：水解、酸化、甲烷生成及微生物群落

《Journal of Water Process Engineering》：Synergistic effects of iron oxide and nickel nanoparticles supplementation on anaerobic sludge digestion: Hydrolysis, acidification, methanogenesis, and microbial community

本研究探究了铁氧化物纳米颗粒（Fe NP）与镍纳米颗粒（Ni NP）协同补充对废水活性污泥（WAS）厌氧消化（AD）的影响。结果表明，联合添加50 mg/L Fe NP和1 mg/L Ni NP可使甲烷产量提升64%（249.8 mL/g VSS），显著高于单独添加时的35%-45%提升。Fe/Ni NP通过增强水解酶（蛋白酶1.84倍，α-葡萄糖酶2.19倍）活性，促进WAS溶解释放及VFA生成，同时改善AD系统稳定性。微生物分析显示，协同补充增强了水解相关菌群及产甲烷古菌丰度。该策略为提升WAS AD生物气产率提供了高效低成本的解决方案。

　　本研究探讨了铁氧化物（Fe?O?）纳米颗粒（Fe NP）和镍纳米颗粒（Ni NP）联合补充对废水活性污泥（WAS）厌氧消化（AD）的协同效应。研究发现，在远低于单一补充剂量的条件下，Fe NP和Ni NP的联合应用能够显著提升WAS的沼气产量。具体而言，当以50 mg/L的Fe NP和1 mg/L的Ni NP联合添加时，WAS的累积甲烷产量从152.3增加至249.8 mL/g VSS，提升了64%。相比之下，单独使用Fe NP和Ni NP时，甲烷产量分别只能提升至35%和45%，其最佳补充浓度分别为100 mg/L和1.5 mg/L。这一结果表明，Fe NP和Ni NP的联合应用在提升甲烷产量方面具有更高的效率。

Fe NP和Ni NP的添加在最佳条件下显著促进了WAS的溶解和水解阶段。通过增加蛋白酶和α-葡萄糖苷酶等水解酶的活性，Fe/Ni NPs的加入使这些酶的活性分别达到对照组的1.84倍和2.19倍。这说明纳米颗粒的加入不仅提高了水解酶的活性，还可能优化了水解反应的环境条件，从而加快了有机物的分解速度。此外，总挥发性脂肪酸（VFA）的产生和消耗，与AD过程中的pH值密切相关，Fe/Ni NPs的加入显著增强了VFA的生成和利用，有助于维持AD过程的稳定性。

在微生物群落分析中，Fe/Ni NPs的加入促进了与水解和VFA消耗相关的细菌群落的生长，同时也增强了参与甲烷生成的古菌群落。这些发现表明，纳米颗粒的补充不仅对水解和酸化阶段有益，还对甲烷生成阶段产生了积极影响。这可能是因为纳米颗粒提供了额外的电子供体和受体，从而优化了微生物代谢路径，提升了整个AD系统的效率。

尽管之前已有研究探讨了Fe NP和Ni NP对AD过程的单独影响，但关于它们联合应用的协同效应研究仍较为有限。因此，本研究通过系统分析，旨在揭示Fe NP和Ni NP联合补充对AD过程各关键阶段的具体影响，并评估其在实际应用中的可行性。通过优化纳米颗粒的添加剂量，可以提高甲烷产量，同时降低处理时间和成本。此外，研究还探讨了纳米颗粒在大规模应用中的潜在挑战，包括其对环境的影响和经济成本问题。

在实验设计方面，本研究采用了一种系统的方法，结合了多种分析技术。首先，通过测量累积和每日甲烷产量，评估了Fe NP和Ni NP对AD过程的影响。其次，利用Michaelis-Menten动力学模型，研究了纳米颗粒对蛋白酶和α-葡萄糖苷酶等关键酶催化反应速率的影响。最后，通过定量PCR（qPCR）技术，对微生物群落的多样性进行了分析，以评估纳米颗粒对细菌和古菌群落的影响。这些方法的综合应用，使得研究能够全面地评估纳米颗粒在AD过程中的作用。

在实验过程中，Fe NP和Ni NP的制备严格按照相关文献的方法进行。Fe?O?和Ni NP分别由FeCl?·6H?O和NiCl?·6H?O制备，这些原料均从Merck公司购买，并具有较高的纯度。WAS则从市政污水处理厂的二次沉淀池中采集，确保其代表性。在AD实验中，将WAS与不同浓度的Fe NP和Ni NP混合，并在恒温条件下进行培养。通过定期测量甲烷产量和VFA浓度，可以评估纳米颗粒对AD过程的影响。

在结果分析中，研究发现Fe NP和Ni NP的联合应用在最佳剂量下显著提升了甲烷产量。此外，纳米颗粒的加入还促进了水解酶的活性，提高了VFA的生成和利用，从而优化了AD过程的稳定性。这些发现表明，Fe NP和Ni NP的联合应用不仅能够提高甲烷产量，还能够改善AD过程的效率，为WAS的处理提供了一种新的方法。

在讨论部分，研究强调了纳米颗粒在大规模应用中的挑战。虽然Fe NP和Ni NP的加入在实验室条件下表现出良好的效果，但在实际应用中，其经济成本和环境影响仍需进一步评估。此外，纳米颗粒的添加剂量需要根据具体情况进行优化，以确保其在不同条件下的适用性。因此，未来的研究应进一步探讨纳米颗粒在不同处理条件下的最佳剂量，并评估其在实际应用中的可行性。

本研究的结果表明，Fe NP和Ni NP的联合应用在提升甲烷产量方面具有显著优势。通过优化纳米颗粒的添加剂量，可以实现更高的甲烷产量，同时降低处理时间和成本。此外，纳米颗粒的加入还促进了水解酶的活性，提高了VFA的生成和利用，从而优化了AD过程的稳定性。这些发现为WAS的处理提供了新的思路，同时也为生物能源的回收提供了可行的方案。

在实验过程中，研究团队还采用了多种分析技术，包括微生物群落分析和VFA浓度测量。这些技术的结合使得研究能够全面评估纳米颗粒对AD过程的影响。通过分析微生物群落的组成，研究发现Fe/Ni NPs的加入促进了与水解和VFA消耗相关的细菌群落的生长，同时也增强了参与甲烷生成的古菌群落。这说明纳米颗粒不仅在化学层面影响了AD过程，还在微生物生态层面产生了积极影响。

此外，研究还探讨了纳米颗粒在AD过程中的潜在作用机制。Fe NP和Ni NP的加入可能通过提供额外的电子供体和受体，优化了微生物的代谢路径，从而提高了整个AD系统的效率。这一机制的揭示为未来的研究提供了理论支持，同时也为纳米颗粒在AD过程中的应用提供了新的方向。

综上所述，本研究通过系统分析，揭示了Fe NP和Ni NP联合补充对WAS厌氧消化的协同效应。研究结果表明，在最佳剂量下，纳米颗粒的加入能够显著提升甲烷产量，同时优化AD过程的稳定性。这些发现为WAS的处理提供了新的方法，同时也为生物能源的回收提供了可行的方案。未来的研究应进一步探讨纳米颗粒在不同处理条件下的最佳剂量，并评估其在实际应用中的可行性。