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(tài)環(huán)境問題已嚴重制約了人類社會的發(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。氫氣具有無毒、無污染、燃燒性好等特點，比傳統(tǒng)燃料熱值高，且燃燒產(chǎn)物為水，是世界公認的清潔能源[1]。采用生物法生產(chǎn)氫氣已成為21世紀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)的廉價性和多樣性，近年來已成為產(chǎn)氫效率高、運用較廣泛的生物制氫方式。

暗發(fā)酵生物制氫過程受多種因素影響，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，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和量子尺寸效應可以通過加速電子從NADPH向氫酶的轉(zhuǎn)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(zhì)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(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用的最新進展，并對金屬納米顆粒的種類及其作用于暗發(fā)酵產(chǎn)氫的機理，F(xiàn)e、Ni及其它金屬納米顆粒應用于暗發(fā)酵產(chǎn)氫的作用效果進行了總結(jié)。

1 金屬納米顆粒的種類及其影響暗發(fā)酵產(chǎn)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(nèi)(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(yī)學、環(huán)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(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)的應用最廣、效果最顯著。

氫酶在調(diào)控細菌發(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[13]。Fe氫酶、Fe-Fe氫酶多在如產(chǎn)乙醇桿菌屬和梭菌屬等專性厭氧產(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(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，可以在酶促反應中起到運載?；鶊F、某些參與氧化還原的功能基團或轉(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(chǎn)氫性能。亦有研究表明，一定濃度金屬Ni的添加可促進產(chǎn)氫細菌氫氣產(chǎn)量的提高[18]。另外，金屬納米顆粒的添加，不僅提高了細菌與活性位點的結(jié)合幾率，促進電子和氫的轉(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，在發(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)中添加相應的金屬納米顆?？赏岣邭涿富钚詮亩欣谏餁涞暮铣伞?/p>

2 金屬納米顆粒在暗發(fā)酵產(chǎn)氫中的應用

2.1 Fe及其氧化物納米顆粒對暗發(fā)酵產(chǎn)氫過程的影響

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(shù)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(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，最大產(chǎn)氫量可達236 mL，較之對照組提高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生物氫的合成，尤其是添加濃度為20 mg/L時，產(chǎn)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(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時的產(chǎn)氣量最高為1.211 mol H2/mol 葡萄糖。為此，針對不同的發(fā)酵接種物確定金屬納米顆粒的添加濃度，可能會達到最佳的調(diào)控產(chǎn)氫效應。

2.2 Ni及其氧化物納米顆粒對暗發(fā)酵產(chǎn)氫的影響

作為Ni-Fe氫酶活性位點的結(jié)合元素，Ni對暗發(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似的促進產(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(fā)酵基質(zhì)的厭氧污泥發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氫效應的影響，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2.54 mol H2/mol葡萄糖，較之對照組提高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 對菌株合成生物氫的促進作用最顯著，能獲得最高的產(chǎn)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(chǎn)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(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0.56 L H2/g COD。

2.3 其它金屬納米顆粒對暗發(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(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 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氫氣產(chǎn)量都有促進作用，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，CuNPs對發(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，H2的產(chǎn)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(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)中的應用Table 3 Application of other metal nanoparticle fermentation hydrogen production system

3 總結(jié)與展望

近年來，一些金屬及其氧化物納米顆粒應用于暗發(fā)酵產(chǎn)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(fā)酵產(chǎn)氫系統(tǒng)是個復雜的體系，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，才能對微生物發(fā)酵產(chǎn)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(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，以達到最顯著的促進產(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。