连续两阶段生物反应器中协同 Ni2?–Fe2? 催化与肠杆菌富集增强食物垃圾的生物氢和生物甲烷回收

《Bioresource Technology Reports》：Synergistic Ni2+– Fe2+ catalysis and Enterobacter enrichment for enhanced biohydrogen and biomethane recovery from food waste in a continuous two-stage bioreactor

　　

•肠杆菌与Ni/Fe离子协同增强生物氢产量
•在最佳催化剂剂量75 mg/L下，生物氢产量提高76%
•利用发酵后废液，生物甲烷回收率提高58%
•两阶段生物反应器实现了93.99%的总COD去除效率

引言

当今世界面临化石燃料枯竭及其燃烧所带来的严重环境后果，这些后果加剧了全球变暖。这一挑战对能源安全、生态平衡以及人类的长期可持续性产生了深远影响（Kumar, 2025）。全球能源危机和日益严峻的环境问题加剧了对替代能源的探索。探索可再生、可持续且环保的能源已成为必然趋势，这既是保障稳定能源供应的必要举措，也是为当代和后代维护宜居地球所必需的转型（Badruzzaman et al., 2025）。

在众多有前景的替代能源中，氢（H?）作为一种清洁、多功能且可持续的能源载体脱颖而出，能够应对上述挑战。H?是宇宙中最丰富的元素，可由多种来源生产，包括水、天然气和生物质（Akpasi et al., 2025; Johnson et al., 2025）。氢具有高热量值，燃烧后不释放二氧化碳或其他有害污染物，仅产生水。然而，现有的大多数氢气生产方法，包括水电解和化石燃料蒸汽重整，都需要消耗大量能源。化石燃料蒸汽重整对环境造成了显著影响，因其高度碳密集，会产生大量CO?和其他温室气体。因此，这两种方法在经济上仍不可行，在环境上也不可持续（Silva-Martinez et al., 2025）。

生物质，尤其是食品废物（FW），已成为生物燃料生产的有前景的原料。FW是全球城市固体废物中最大的组成部分之一，每年产生数百万吨（Sahota et al., 2024; Habashy et al., 2021）。其高碳水化合物、蛋白质和脂质含量使其成为微生物发酵生产生物燃料的优良底物。由于富含有机物，FW被视为通过多种生物过程生产生物氢（Bio-H?）和生物甲烷（Bio-CH?）的理想底物（An et al., 2024）。在各种生物能源选择中，Bio-H?和Bio-CH?作为有前景的清洁燃料脱颖而出，具有高能量产出和环保的燃烧产物。从FW中生产这些燃料提供了一种可持续、高效的废物转化能源解决方案。这一方法与全球向可持续和可再生能源转型的努力相一致（10.3389/ffuel.2024.1404052, 2024）。

将FW转化为生物燃料不仅解决了废物管理挑战，还通过将有机残余物转化为有价值的能源载体，为实现循环经济目标做出贡献（Alalawya et al., 2025）。FW的增值利用是一种可持续方法，既可以减轻FW处置问题，又有助于缓解资源枯竭，同时产生可再生和可持续能源，为更清洁、更绿色的未来做出贡献（García-Depraect et al., 2022）。

暗发酵（DF）是一种广泛用于生产Bio-H?的厌氧过程，因其具有成本效益且能够利用各种有机废物，使其成为可持续且环保的能源途径。在优化的微生物菌株和工艺条件下，DF可以实现与其他生物方法具有竞争力的Bio-H?产量（Jain et al., 2024; Sanghvi et al., 2024）。Albuquerque等人（Albuquerque et al., 2024）对Bio-H?生产路线进行了全面综述，强调DF是最具效率和成本效益的可持续能源生产方法。该研究讨论了影响Bio-H?产量的关键因素，包括底物选择、接种物来源和预处理、运行参数以及生物反应器配置，同时强调了过程集成以及遗传和代谢工程策略在提高Bio-H?产量和实现大规模生产方面的进展。与光发酵不同，DF不需要光能，使其更适合大规模商业应用。

然而，传统的DF通常由于代谢限制和挥发性脂肪酸（VFA）的积累而面临底物转化效率低和Bio-H?产量低的问题（Yun et al., 2017; Ren et al., 2022）。低产量和副产品问题仍然是工业化应用的最大障碍。DF研究的进展凸显了检验其实用应用前景和工业集成的重要性。一个重要的创新机遇是将DF过程纳入现有的厌氧消化（AD）框架。将DF与后续的产甲烷过程相结合可以提高总体能源回收率，因为剩余的消化底物可以被转化为Bio-CH?，从而改善底物利用效率。这种集成具有多重优势，因为在初始酸化阶段可以收集Bio-H?作为清洁能源载体，同时富含VFA的剩余废液可以随后输送至传统AD系统进行Bio-CH?生产。这种对FW的顺序利用不仅最大限度地回收了有价值的生物燃料，还提高了现有废物管理基础设施内的总体资源效率和能源产出（Alavi-Borazjani et al., 2024）。

Gabriel Facundo Sim?o等人（Sim?o et al., 2025）证明微生物接种物的选择对于优化DF性能起着关键作用。研究人员评估了腰果苹果秸秆（CAB）——一种木质纤维素农业工业残余物，全球年产量估计为1400万吨，其中巴西贡献显著——作为通过DF利用肠杆菌（Enterobacter cloacae）生产Bio-H?的底物。使用酶解CAB并补充酪蛋白水解物时，24小时内实现了最高的Bio-H?产量，达到59.7 mL/L·h?1和1432.4 mL H?/L。Jalil等人（Jalil et al., 2025）通过将DF与微生物电解池（MEC）集成，并结合工艺优化和微生物强化，显著提高了Bio-H?产量和COD去除率。集成的DF-MEC系统表现优异，实现了高达1608.6 ± 266.2 mL H?/每克COD消耗量的Bio-H?产量，以及78.5 ± 5.7%的COD去除效率，凸显了其在增强Bio-H?回收方面的有效性。Song等人（Song et al., 2020）研究了利用蒸汽加热稀酸预处理后酶解和DF（采用嗜酸乳杆菌ZJU1）从入侵性水生杂草水花生（Alternanthera philoxeroides）中生产Bio-H?，与原始生物质相比，Bio-H?产量提高了59.9%。通过进一步优化细菌菌株，最大Bio-H?产量提高至89.8 mL/gVS，证明了利用肠杆菌属提高Bio-H?产量的有效策略。Lin等人（Lin et al., 2016）研究了氧化铁纳米颗粒（FONPs）对肠杆菌暗发酵的影响，发现在最佳FONP浓度200 mg/L时，葡萄糖的Bio-H?产量增加至192.4 mL/g，表明铁的释放增强了电子传递并刺激了氢化酶活性。Mishra和Das（Mishra and Das, 2014）研究了利用肠杆菌（Enterobacter cloacae IIT-BT 08）辅以营养补充物，通过DF从淀粉基蒸馏废液中生产Bio-H?。通过优化酵母提取物、麦芽提取物和金属离子（Fe、Cu、Mg），获得了最高Bio-H?产量7.38 ± 0.24 mol H?/kg COD和80 mL/L·h的生产速率。

文献表明，肠杆菌属以其高效的氢化酶活性而闻名，在生产Bio-H?方面具有巨大潜力。其代谢多功能性使其能够在DF阶段高效降解复杂的FW底物，同时支持下游产甲烷微生物群落。肠杆菌属因其兼性厌氧代谢而受到关注，使其适用于富含碳水化合物的FW的DF，当与电氢生成集成时，产量会显著增加。因此，利用肠杆菌作为接种物可以提高Bio-H?产量并稳定DF过程（Jiang et al., 2023; Kim et al., 2012; Abdul et al., 2025）。

近期研究强调了金属离子组合作为参与Bio-H?和Bio-CH?代谢的酶系统中辅助因子的重要性。Mishra等人（Mishra et al., 2024）研究了氧化铁、氧化镍和Ni/Fe?O?双金属纳米复合材料在增强暗发酵Bio-H?生产中的作用。在测试的材料中，Ni/Fe?O?-5%（150 mg/L）与对照组相比显著提高了Bio-H?产量51.24%，优于单独氧化物及其物理混合物，这可能是由于电子传递改善和氢化酶活性增强。微生物分析显示群落结构发生了变化，特别是肠杆菌属比例增加。金属离子补充已被证明可以减轻DF副产品的抑制作用，并改善微生物在厌氧条件下的韧性。Dharshini等人（Palanivel et al., 2025）综述了DF作为高效生物路线生产Bio-H?的潜力，强调其利用木质纤维素生物质和废水等多样化有机底物的能力。他们指出，纳米颗粒的引入可以通过刺激微生物活性、改变代谢途径和改善工艺条件来增强Bio-H?产量。Wu等人（Wu et al., 2025）研究了镍铁氧体纳米颗粒（NiFe?O? NPs）与基因工程的协同效应对增强Bio-H?生产的影响。据报道Bio-H?产量有显著改善，在补充30 mg/L NiFe?O? NPs时，累计Bio-H?产量最高达到6200 ± 253.12 mL/L。Brindhadevi等人（Brindhadevi and Pugazhendhi, 2025）研究了纳米技术集成对增强Bio-H?生产的作用，重点关注添加各种金属纳米颗粒如何催化产量。Pérez-Barragán等人（Pérez-Barragán et al., 2024）的研究观察到，在连续暗发酵罐中添加100 ppm磁性纳米颗粒后，稻草的Bio-H?产量增加了53%。

综合这些发现，很明显，将肠杆菌辅助的DF与金属离子催化剂集成是一种优化FW能源回收的开创性策略。这种协同框架在增强Bio-H?生产的同时简化了后续的Bio-CH?生成，从而实现了生物能源总产量的综合提升。因此，本研究致力于通过集成的生物反应器设计、微生物富集和催化创新，大规模增强Bio-H?和Bio-CH?生产，从而推动废物转化能源的可扩展性，以符合全球可持续发展和循环生物经济目标。

本研究建立了一种DF处理FW的新型生物途径，通过特别设计的两阶段生物反应器，将肠杆菌富集接种物与NaCl? + FeCl?催化剂补充相结合，并配备过程参数的实时监测。尽管DF的研究兴趣日益增长，但关于FW底物中微生物接种物与双金属离子催化组合协同效应的系统研究仍然有限。本研究通过选择性富集肠杆菌属并优化NaCl? + FeCl?催化剂（通过测试不同浓度），弥合了这一差距，从而实现对FW底物中Bio-H?和Bio-CH?的增强回收。这种综合方法直接解决了传统DF由于代谢限制和VFA积累所导致的低底物转化效率和低Bio-H?产量瓶颈。本研究的结果对环境保

本研究未涉及人类受试者。
临床试验：本研究不是临床试验。
机构审查委员会声明：不适用。本研究未涉及人类或动物。
资金声明：本研究未获得外部资金。
利益冲突声明：作者声明不存在利益冲突。
致谢：作者衷心感谢印度哥印拜陀卡帕伽姆高等学府（Karpagam Academy of Higher Education, Coimbatore, India）为本研究的开展提供所需的设施。作者也诚挚感谢卡帕伽姆高等学府提供的资金支持，种子资金项目编号为 KAHE/R-Acad/A1/Seed Money/2025-2026/01（日期：2025 年 4 月 1 日）和 KAHE/R-Acad/A1/Seed Money/2025-2026/02（日期：2025 年 10 月 24 日）。
K.V. Sreedharan|Debabrata Barik|Seepana Praveenkumar