金屬納米顆粒在暗發(fā)酵生物制氫中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張永貴，許思遠(yuǎn)，張琴，李艷賓

(安徽工程大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

進(jìn)入21世紀(jì)，化石燃料的有限儲(chǔ)備和快速消耗及其引起的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已嚴(yán)重制約了人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，生物能源以其可再生性、可持續(xù)性已成為化石燃料潛在的替代能源。氫氣具有無(wú)毒、無(wú)污染、燃燒性好等特點(diǎn)，比傳統(tǒng)燃料熱值高，且燃燒產(chǎn)物為水，是世界公認(rèn)的清潔能源[1]。采用生物法生產(chǎn)氫氣已成為21世紀(jì)最主要的氫能源生產(chǎn)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(fā)酵、暗發(fā)酵和光-暗聯(lián)合發(fā)酵產(chǎn)氫四種方式[2-3]，其中，暗發(fā)酵產(chǎn)氫以其發(fā)酵基質(zhì)的廉價(jià)性和多樣性，近年來(lái)已成為產(chǎn)氫效率高、運(yùn)用較廣泛的生物制氫方式。

暗發(fā)酵生物制氫過(guò)程受多種因素影響，發(fā)酵菌種及其接種量、發(fā)酵pH值、溫度、發(fā)酵基質(zhì)種類(lèi)及其濃度、培養(yǎng)基成分及其添加劑等都在較大程度上影響了暗發(fā)酵生物制氫效率[4-6]，為此，提高生物氫產(chǎn)率已成為暗發(fā)酵產(chǎn)氫調(diào)控的直接目的。近年來(lái)，有研究表明在暗發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)中添加一定濃度納米顆?？捎行岣呦到y(tǒng)的生物氫產(chǎn)率，納米顆粒的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)可以通過(guò)加速電子從NADPH向氫酶的轉(zhuǎn)移來(lái)提高氧化還原酶的活性，從而促進(jìn)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(zhì)子還原為氫氣[9]。尤其是近年來(lái)金屬納米顆粒的添加，使得暗發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)的產(chǎn)氫效率有顯著提高。本文介紹了金屬納米顆粒應(yīng)用的最新進(jìn)展，并對(duì)金屬納米顆粒的種類(lèi)及其作用于暗發(fā)酵產(chǎn)氫的機(jī)理，F(xiàn)e、Ni及其它金屬納米顆粒應(yīng)用于暗發(fā)酵產(chǎn)氫的作用效果進(jìn)行了總結(jié)。

1 金屬納米顆粒的種類(lèi)及其影響暗發(fā)酵產(chǎn)氫的作用機(jī)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(nèi)(1～100 nm)的材料[10]，因其尺寸小而具有許多獨(dú)特的特性，如表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸和宏觀量子隧道效應(yīng)等[11]，在生物催化、電子、醫(yī)學(xué)、環(huán)境污染物處理等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，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(fù)合材料廣泛應(yīng)用于生物制氫領(lǐng)域，并取得了矚目的成效[12]，尤以其在暗發(fā)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(yīng)用最廣、效果最顯著。

氫酶在調(diào)控細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫中起重要的催化作用，氫酶依據(jù)其活性位點(diǎn)結(jié)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(lèi)[13]。Fe氫酶、Fe-Fe氫酶多在如產(chǎn)乙醇桿菌屬和梭菌屬等專(zhuān)性厭氧產(chǎn)氫菌中被發(fā)現(xiàn)，其活性較高[14]。Ni-Fe氫酶發(fā)現(xiàn)較多存在于兼性厭氧產(chǎn)氫細(xì)菌中，其研究和應(yīng)用最廣泛[15]。金屬元素對(duì)微生物的酶活性有重要影響，主要體現(xiàn)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(yīng)中起到運(yùn)載酰基團(tuán)、某些參與氧化還原的功能基團(tuán)或轉(zhuǎn)移原子、電子的作用[16]。已有研究表明，隨著培養(yǎng)基中鐵離子的損耗，氫酶的活性會(huì)隨之降低[17]，因此金屬Fe可通過(guò)影響氫化酶的活性而影響微生物產(chǎn)氫性能。亦有研究表明，一定濃度金屬Ni的添加可促進(jìn)產(chǎn)氫細(xì)菌氫氣產(chǎn)量的提高[18]。另外，金屬納米顆粒的添加，不僅提高了細(xì)菌與活性位點(diǎn)的結(jié)合幾率，促進(jìn)電子和氫的轉(zhuǎn)移，還能增加生物氫的產(chǎn)率與發(fā)酵底物的利用率[19]。由此可見(jiàn)，在發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)中添加相應(yīng)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(fā)酵產(chǎn)氫中的應(yīng)用

2.1 Fe及其氧化物納米顆粒對(duì)暗發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程的影響

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

表1 Fe及其氧化物納米顆粒在不同發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)中的應(yīng)用Table 1 Application of Fe and its oxide nanoparticles in different fermentation hydrogen production systems

此外，接種物不同，F(xiàn)e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(yǎng)微生物菌種為接種物的發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)中僅需添加較低濃度的納米顆粒即可起到有效促進(jìn)產(chǎn)氫的作用，如在EnterobactercloacaeWL1318發(fā)酵棉稈水解液產(chǎn)氫系統(tǒng)中添加Fe3O4NPs的濃度為 40 mg/L 時(shí)的產(chǎn)氫量最高[22]。在以污泥等混合菌群作為接種物的發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)與以純培養(yǎng)微生物菌種為接種物的發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)添加金屬納米顆粒濃度相似，如Engliman等[23]在納米氧化鐵對(duì)高溫混合發(fā)酵產(chǎn)氫的研究中得出，F(xiàn)e2O3NPs添加量為50 mg/L時(shí)可以得到1.92 mol H2/mol葡萄糖的最高產(chǎn)氣量，而在Reddy等[8]對(duì)甘蔗渣水解液發(fā)酵產(chǎn)氫中發(fā)現(xiàn)，添加200 mg/L的Fe3O4NPs時(shí)的產(chǎn)氣量最高為1.211 mol H2/mol 葡萄糖。為此，針對(duì)不同的發(fā)酵接種物確定金屬納米顆粒的添加濃度，可能會(huì)達(dá)到最佳的調(diào)控產(chǎn)氫效應(yīng)。

2.2 Ni及其氧化物納米顆粒對(duì)暗發(fā)酵產(chǎn)氫的影響

作為Ni-Fe氫酶活性位點(diǎn)的結(jié)合元素，Ni對(duì)暗發(fā)酵產(chǎn)氫可產(chǎn)生較大的影響，一些研究已證明添加一定濃度Ni2+可促進(jìn)發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)生物氫的合成[18，35]。Ni及其氧化物納米顆粒亦可起到類(lèi)似的促進(jìn)產(chǎn)氫作用，然而，在不同接種物的發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)中，其作用效應(yīng)卻大相徑庭。

表2 Ni及其氧化物納米顆粒在不同發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)中的應(yīng)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(duì)以葡萄糖為發(fā)酵基質(zhì)的厭氧污泥發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氫效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)添加2.5 mg/L NiNPs可使系統(tǒng)產(chǎn)氫量較之對(duì)照處理提高0.9%，并且隨著添加濃度的升高產(chǎn)氫量大幅度降低且低于對(duì)照處理，而添加 25 mg/L Ni2+卻可促使產(chǎn)氫量提高55.0%，由此，作者認(rèn)為，NiNPs的添加不利于厭氧污泥發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氫量的提高。與之不同的，Mullai等[36]的研究卻表明在對(duì)以葡萄糖為發(fā)酵基質(zhì)的厭氧污泥發(fā)酵系統(tǒng)中添加NiNPs可促進(jìn)產(chǎn)氫量的提高，尤以添加5.67 mg/L NiNPs處理下可獲得最高產(chǎn)氫量達(dá)2.54 mol H2/mol葡萄糖，較之對(duì)照組提高22.7%。上述兩研究的發(fā)酵產(chǎn)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(fā)酵棉桿水解液產(chǎn)氫系統(tǒng)中添加粒徑不同的Ni0NPs，發(fā)現(xiàn)添加50 nm的30 mg/L Ni0NPs 對(duì)菌株合成生物氫的促進(jìn)作用最顯著，能獲得最高的產(chǎn)氫量，可達(dá)(92.82±0.25)mL/g還原糖，可見(jiàn)金屬納米顆粒的粒徑大小在一定程度上對(duì)產(chǎn)氫細(xì)菌生物氫的合成具有決定性作用。類(lèi)似的，鎳氧化物納米顆粒對(duì)生物氫合成的影響亦存在一定的尺寸和濃度效應(yīng)。如，Mishra等[19]在BacillusanthracisPUNAJAN 發(fā)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(chǎn)氫量，達(dá)0.56 L H2/g COD。

2.3 其它金屬納米顆粒對(duì)暗發(fā)酵產(chǎn)氫的影響

除Fe、Ni納米顆粒外，亦有一些研究添加了其它類(lèi)型的金屬納米顆粒。袁靜[34]在研究一些金屬納米顆粒對(duì)菌Enterobactersp.HDX08 產(chǎn)氫的影響中發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)量分別可達(dá) 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(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)中亦可起到促進(jìn)生物氫合成的作用，如Zhao等[38]在混菌發(fā)酵產(chǎn)氫體系中添加20 mg/L、直徑為(15±2)nm AgNPs能獲得高達(dá)2.48 mol H2/mol葡萄糖的產(chǎn)氫量。然而，并不是所有的金屬納米顆粒對(duì)氫氣產(chǎn)量都有促進(jìn)作用，Mohanraj等[39]的研究發(fā)現(xiàn)，以葡萄糖為底物，陰溝腸桿菌和乙酰丁基梭菌為發(fā)酵菌種時(shí)，CuNPs對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫具有一定的抑制作用，在這兩菌株發(fā)酵產(chǎn)氫體系中添加濃度為2.5 mg/L的CuNPs時(shí)，H2的產(chǎn)率較之對(duì)照組分別降低了3.5%和2.9%，當(dāng)添加濃度增加至12.5 mg/L時(shí)，H2的產(chǎn)率分別降低56.9%和72.2%。

表3 其它金屬納米顆粒發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)中的應(yīng)用Table 3 Application of other metal nanoparticle fermentation hydrogen production system

3 總結(jié)與展望

近年來(lái)，一些金屬及其氧化物納米顆粒應(yīng)用于暗發(fā)酵產(chǎn)氫領(lǐng)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(yīng)用逐年增多。微生物暗發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的體系，其產(chǎn)氫效率受發(fā)酵基質(zhì)、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(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)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(duì)微生物發(fā)酵產(chǎn)氫起到顯著的促進(jìn)作用。為此，筆者認(rèn)為金屬納米顆粒應(yīng)用于暗發(fā)酵產(chǎn)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(wěn)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(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)；②針對(duì)一定的納米顆粒及其暗發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)，探索最優(yōu)的納米顆粒添加濃度，以達(dá)到最顯著的促進(jìn)產(chǎn)氫效果；③金屬及其氧化物納米顆粒的添加要充分考慮發(fā)酵基質(zhì)、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。