金屬納米顆粒在暗發酵生物制氫中的應用研究進展

張永貴，許思遠，張琴，李艷賓

(安徽工程大學 生物與化學工程學院，安徽 蕪湖 241000)

進入21世紀，化石燃料的有限儲備和快速消耗及其引起的生態環境問題已嚴重制約了人類社會的發展，生物能源以其可再生性、可持續性已成為化石燃料潛在的替代能源。氫氣具有無毒、無污染、燃燒性好等特點，比傳統燃料熱值高，且燃燒產物為水，是世界公認的清潔能源[1]。采用生物法生產氫氣已成為21世紀最主要的氫能源生產方式。目前，生物制氫的方式有多種，最重要的主要有光水解、光發酵、暗發酵和光-暗聯合發酵產氫四種方式[2-3]，其中，暗發酵產氫以其發酵基質的廉價性和多樣性，近年來已成為產氫效率高、運用較廣泛的生物制氫方式。

暗發酵生物制氫過程受多種因素影響，發酵菌種及其接種量、發酵pH值、溫度、發酵基質種類及其濃度、培養基成分及其添加劑等都在較大程度上影響了暗發酵生物制氫效率[4-6]，為此，提高生物氫產率已成為暗發酵產氫調控的直接目的。近年來，有研究表明在暗發酵產氫系統中添加一定濃度納米顆粒可有效提高系統的生物氫產率，納米顆粒的表面效應和量子尺寸效應可以通過加速電子從NADPH向氫酶的轉移來提高氧化還原酶的活性，從而促進生物氫的合成[7-8]，并且納米顆粒還具有電子親合力，可以將質子還原為氫氣[9]。尤其是近年來金屬納米顆粒的添加，使得暗發酵產氫系統的產氫效率有顯著提高。本文介紹了金屬納米顆粒應用的最新進展，并對金屬納米顆粒的種類及其作用于暗發酵產氫的機理，Fe、Ni及其它金屬納米顆粒應用于暗發酵產氫的作用效果進行了總結。

1 金屬納米顆粒的種類及其影響暗發酵產氫的作用機理

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍內(1～100 nm)的材料[10]，因其尺寸小而具有許多獨特的特性，如表面效應、小尺寸效應、量子尺寸和宏觀量子隧道效應等[11]，在生物催化、電子、醫學、環境污染物處理等方面都得到了廣泛的應用。近年來，一些金屬納米顆粒(Fe、Ni、Cu、Pt、Au、Pd、Ag)、金屬氧化物納米顆粒(Fe2O3、Fe3O4、NiCo2O4、CuO、NiO、CoO、ZnO)及部分納米復合材料廣泛應用于生物制氫領域，并取得了矚目的成效[12]，尤以其在暗發酵生物制氫中金屬納米顆粒(Ag、Fe、Ni、Cu、Pd、Au)和金屬氧化物納米顆粒(Fe2O3、Fe3O4、ZnO、NiO、CoO)的應用最廣、效果最顯著。

氫酶在調控細菌發酵產氫中起重要的催化作用，氫酶依據其活性位點結合金屬離子的不同主要分為Fe氫酶、Fe-Fe氫酶和Ni-Fe氫酶三類[13]。Fe氫酶、Fe-Fe氫酶多在如產乙醇桿菌屬和梭菌屬等專性厭氧產氫菌中被發現，其活性較高[14]。Ni-Fe氫酶發現較多存在于兼性厭氧產氫細菌中，其研究和應用最廣泛[15]。金屬元素對微生物的酶活性有重要影響，主要體現在以下兩方面：其一，作為提高酶活性的激活劑；其二，作為酶的輔助因子，可以在酶促反應中起到運載酰基團、某些參與氧化還原的功能基團或轉移原子、電子的作用[16]。已有研究表明，隨著培養基中鐵離子的損耗，氫酶的活性會隨之降低[17]，因此金屬Fe可通過影響氫化酶的活性而影響微生物產氫性能。亦有研究表明，一定濃度金屬Ni的添加可促進產氫細菌氫氣產量的提高[18]。另外，金屬納米顆粒的添加，不僅提高了細菌與活性位點的結合幾率，促進電子和氫的轉移，還能增加生物氫的產率與發酵底物的利用率[19]。由此可見，在發酵產氫系統中添加相應的金屬納米顆粒可望提高氫酶活性從而有利于生物氫的合成。

2 金屬納米顆粒在暗發酵產氫中的應用

2.1 Fe及其氧化物納米顆粒對暗發酵產氫過程的影響

Fe及其氧化物納米顆粒是目前在發酵產氫系統應用最多的金屬納米顆粒，這些納米顆粒主要的應用形式為Fe0納米顆粒、Fe2O3納米顆粒、Fe3O4納米顆粒，見表1。從作用效應來看，主要分為濃度效應和尺寸效應，迄今幾乎所有的文獻都報道了這些金屬納米顆粒的濃度效應(表1)，然而，僅有少數研究探討了金屬納米顆粒的尺寸效應，如，辛紅梅等[20]在厭氧污泥發酵產氫系統中添加了不同粒徑大小(0～100 nm)的Fe3O4納米顆粒，結果表明，納米顆粒直徑在40～60 nm范圍時，最大產氫量可達236 mL，較之對照組提高29.7%；Li等[21]在Klebsiellasp.WL1316發酵棉稈水解液產氫系統中添加了粒徑大小約100 nm和50 nm的Fe0納米顆粒，發現添加50 nm Fe0納米顆粒能有效促進生物氫的合成，尤其是添加濃度為20 mg/L時，產氫量可達(94.31±0.23)mL/g還原糖。由此可見，金屬納米顆粒的添加濃度和粒徑大小對暗發酵的產氫量均有較大影響，有效調節二因素的最優值可有效調控暗發酵產氫系統生物氫的合成。

表1 Fe及其氧化物納米顆粒在不同發酵產氫系統中的應用Table 1 Application of Fe and its oxide nanoparticles in different fermentation hydrogen production systems

此外，接種物不同，Fe及其氧化物納米顆粒添加濃度的作用效果亦不相同。已有的研究表明，在以純培養微生物菌種為接種物的發酵產氫系統中僅需添加較低濃度的納米顆粒即可起到有效促進產氫的作用，如在EnterobactercloacaeWL1318發酵棉稈水解液產氫系統中添加Fe3O4NPs的濃度為 40 mg/L 時的產氫量最高[22]。在以污泥等混合菌群作為接種物的發酵產氫系統與以純培養微生物菌種為接種物的發酵產氫系統添加金屬納米顆粒濃度相似，如Engliman等[23]在納米氧化鐵對高溫混合發酵產氫的研究中得出，Fe2O3NPs添加量為50 mg/L時可以得到1.92 mol H2/mol葡萄糖的最高產氣量，而在Reddy等[8]對甘蔗渣水解液發酵產氫中發現，添加200 mg/L的Fe3O4NPs時的產氣量最高為1.211 mol H2/mol 葡萄糖。為此，針對不同的發酵接種物確定金屬納米顆粒的添加濃度，可能會達到最佳的調控產氫效應。

2.2 Ni及其氧化物納米顆粒對暗發酵產氫的影響

作為Ni-Fe氫酶活性位點的結合元素，Ni對暗發酵產氫可產生較大的影響，一些研究已證明添加一定濃度Ni2+可促進發酵產氫系統生物氫的合成[18，35]。Ni及其氧化物納米顆粒亦可起到類似的促進產氫作用，然而，在不同接種物的發酵產氫系統中，其作用效應卻大相徑庭。

表2 Ni及其氧化物納米顆粒在不同發酵產氫系統中的應用Table 2 Application of Ni and its oxide nanoparticles in different fermentation hydrogen production systems

Taherdanak等[26]研究了Ni2+和NiNPs對以葡萄糖為發酵基質的厭氧污泥發酵系統產氫效應的影響，發現添加2.5 mg/L NiNPs可使系統產氫量較之對照處理提高0.9%，并且隨著添加濃度的升高產氫量大幅度降低且低于對照處理，而添加 25 mg/L Ni2+卻可促使產氫量提高55.0%，由此，作者認為，NiNPs的添加不利于厭氧污泥發酵系統產氫量的提高。與之不同的，Mullai等[36]的研究卻表明在對以葡萄糖為發酵基質的厭氧污泥發酵系統中添加NiNPs可促進產氫量的提高，尤以添加5.67 mg/L NiNPs處理下可獲得最高產氫量達2.54 mol H2/mol葡萄糖，較之對照組提高22.7%。上述兩研究的發酵產氫體系相似，但添加NiNPs的作用效果卻有所不同，究其原因可能由于兩研究添加的NiNPs粒徑大小不同所致。如Li等[21]在Klebsiellasp.WL1316發酵棉桿水解液產氫系統中添加粒徑不同的Ni0NPs，發現添加50 nm的30 mg/L Ni0NPs 對菌株合成生物氫的促進作用最顯著，能獲得最高的產氫量，可達(92.82±0.25)mL/g還原糖，可見金屬納米顆粒的粒徑大小在一定程度上對產氫細菌生物氫的合成具有決定性作用。類似的，鎳氧化物納米顆粒對生物氫合成的影響亦存在一定的尺寸和濃度效應。如，Mishra等[19]在BacillusanthracisPUNAJAN 發酵棕櫚油廠廢水制氫中添加粒徑為14 nm的1.5 mg/L NiONPs可獲得最高的產氫量，達0.56 L H2/g COD。

2.3 其它金屬納米顆粒對暗發酵產氫的影響

除Fe、Ni納米顆粒外，亦有一些研究添加了其它類型的金屬納米顆粒。袁靜[34]在研究一些金屬納米顆粒對菌Enterobactersp.HDX08 產氫的影響中發現，在以葡萄糖為底物，添加200 mg/L粒徑為(30±10)nm的ZnONPs 及3 mg/L粒徑為(15±5)nm AgNPs，氫氣產量分別可達 0.45 mol H2/mol 葡萄糖和0.43 mol H2/mol 葡萄糖。一定濃度 AgNPs 添加至混合菌群發酵產氫系統中亦可起到促進生物氫合成的作用，如Zhao等[38]在混菌發酵產氫體系中添加20 mg/L、直徑為(15±2)nm AgNPs能獲得高達2.48 mol H2/mol葡萄糖的產氫量。然而，并不是所有的金屬納米顆粒對氫氣產量都有促進作用，Mohanraj等[39]的研究發現，以葡萄糖為底物，陰溝腸桿菌和乙酰丁基梭菌為發酵菌種時，CuNPs對發酵產氫具有一定的抑制作用，在這兩菌株發酵產氫體系中添加濃度為2.5 mg/L的CuNPs時，H2的產率較之對照組分別降低了3.5%和2.9%，當添加濃度增加至12.5 mg/L時，H2的產率分別降低56.9%和72.2%。

表3 其它金屬納米顆粒發酵產氫系統中的應用Table 3 Application of other metal nanoparticle fermentation hydrogen production system

3 總結與展望

近年來，一些金屬及其氧化物納米顆粒應用于暗發酵產氫領域已取得一定成果，尤其是在Fe、Ni及其氧化物納米顆粒的應用逐年增多。微生物暗發酵產氫系統是個復雜的體系，其產氫效率受發酵基質、接種菌種、外源添加物等諸多因素的影響，尤其是金屬納米顆粒的添加在很大程度上影響著暗發酵產氫系統的生物氫合成效率，然而，只有選取一定濃度、一定粒徑的金屬納米顆粒作為添加劑，才能對微生物發酵產氫起到顯著的促進作用。為此，筆者認為金屬納米顆粒應用于暗發酵產氫的研究方向主要為：①采用有效的合成方法，如綠色合成法，合成性能穩定、粒徑大小合適的金屬及其氧化物納米顆粒添加至微生物暗發酵產氫系統；②針對一定的納米顆粒及其暗發酵產氫系統，探索最優的納米顆粒添加濃度，以達到最顯著的促進產氫效果；③金屬及其氧化物納米顆粒的添加要充分考慮發酵基質、接種菌種等因素，基于基本作用原理確定納米顆粒添加方案。