工程化的高结晶度氧化铁通过直接的种间电子转移抑制铁还原反应的竞争，从而提高厌氧消化产生的甲烷产量

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Engineered High-Crystallinity Iron Oxides Suppress Iron Reduction Competition and Enhance Anaerobic Digestion Methane Yield via Direct Interspecies Electron Transfer

MOF衍生铁氧化物通过高温合成获得高结晶性结构，抑制铁还原菌竞争并促进产甲烷菌富集，显著提升厌氧消化产气量至547.91 mL/g VS，长期运行稳定性优于常规Fe?O?。

　　

易涵|郑克立|谢娟璐|娟毛|吴晓辉|詹飞翔

中国湖北省武汉市华中科技大学环境科学与工程学院，长江流域多媒体污染协同控制重点实验室，430074

摘要

氧化铁可以促进厌氧消化，但面临产甲烷菌和铁还原菌之间的电子竞争。在本研究中，我们通过热解合成金属-有机框架（MOF）前驱体制备了一种高结晶度的氧化铁材料，并系统研究了其在改善厌氧消化中的作用机制。结果表明，10克/升的MOF衍生物氧化铁（MDF）将甲烷产量提高到了547.91毫升/克挥发性固体。对MDF材料的表征显示，它具有高度有序的晶体结构（结晶度95.56%）和优异的电化学活性，其带正电荷的表面有助于微生物附着。微生物分析表明，MDF选择性地富集了Methanosarcina（产甲烷菌）和Clostridium_sensu_stricto_1（共生细菌），同时上调了与导电菌毛（PilA）和群体感应信号分子相关的基因。这种转变建立了一个直接的种间电子传递驱动的代谢网络。此外，MDF的高结晶度抑制了铁还原菌（Trichococcus）的富集（丰度低于2.5%），从而减轻了铁对乙酸/氢的竞争，并克服了传统Fe₂O₃的局限性。在长期实验中，MDF表现出更高的甲烷产量和更强的抗还原性，进一步证实了其优越性。本研究为产甲烷过程中的结晶度依赖性电子传递途径提供了基本见解，并为设计稳定的导电材料以提高厌氧消化的效率和稳定性提供了战略框架。

引言

厌氧消化（AD）已成为通过生物甲烷生产从有机废物中回收可持续能源的关键技术[1]。然而，其广泛应用仍受到内在限制的制约，如水解缓慢和甲烷产量不足，这些限制源于种间电子传递效率低下[2]。传统的种间电子传递（MIET）依赖于扩散电子载体（如氢/甲酸），但受到质量传递的限制[3]。相比之下，直接种间电子传递（DIET）的电子通量比MIET高六个数量级[4]，[5]，可以通过导电材料得到显著增强，从而有效克服扩散相关限制并提高AD性能。

在各种导电材料中，氧化铁因其同时作为电子受体和结构促进剂的双重功能而备受关注，有助于可发酵底物的分解和沼气生产[6]。作为最终电子受体，氧化铁促进了难降解有机物的降解，例如芳香烃[7]，[8]。在此过程中，使用Fe(III)作为电子受体的铁还原菌（IRB）在厌氧铁循环中起关键作用[9]，[10]。然而，铁还原在热力学上更有优势，可能会与产甲烷菌竞争关键的电子供体，如乙酸和氢[11]，[12]，[13]。对于乙酸，乙酸裂解产甲烷的自由能约为-31.8千焦/摩尔[14]，而乙酸耦合的Fe(III)还原的自由能则达到-347.9至-510.8千焦/摩尔，表明铁还原具有更强的驱动力[9]。因此，尽管IRB在产甲烷过程中起间接作用，但会对AD性能产生负面影响，限制了氧化铁添加带来的潜在效益。

这些限制突显了在保持氧化铁在厌氧消化中有益作用的同时，需要限制铁还原作为竞争性电子接受途径的必要性。氧化铁的结晶度和缺陷密度决定了其热力学电子接受能力以及界面电子注入和传递的动力学，从而控制了Fe(III)被微生物还原的难易程度。Liu等人[15]报告称，随着结晶度的增加，Fe(II)/Fe(III)电对的标称电位从约0.924伏降至0.889伏，表明铁还原的热力学驱动力减弱。Tang等人[7]比较了不同铁相，发现非晶态Fe(III)-柠檬酸盐可以加速底物降解，但甲烷电子回收率远低于结晶态氧化铁。这一发现表明，当铁还原过于占主导时，电子分配会偏离甲烷形成，从而降低甲烷电子回收率。因此，提高氧化铁的结晶度可能减少运行过程中的过度还原，减轻铁还原的竞争，并改善电子向甲烷生产的分配。

为了解决这一挑战，基于金属-有机框架（MOF）的氧化铁（MDFs）应运而生。MDFs由基于Fe的MOF前驱体合成，具有周期性排列的Fe-O簇和可调的孔隙结构[16]，[17]，从而克服了传统氧化铁的代谢冲突。虽然基于Fe的前驱体MOFs在AD系统中表现出增强的有机降解速率（见补充表S1），但它们在酸性环境中的不稳定性阻碍了直接应用。MDFs的热解合成通过将Fe-O簇转化为高导电相同时保持了结构完整性，有效缓解了这一问题。然而，关于MDFs精确工程化的结晶度如何调节微生物群落以减轻电子供体竞争的机制仍不清楚。

在本研究中，使用了一种高结晶度的MDF来增强AD过程，以商业氧化铁（Fe₂O₃）作为对照。通过批次实验和长期反应器操作评估了各种系统的产甲烷性能，并通过微生物群落分析和代谢途径预测确定了功能菌群。对MDF材料在AD前后的表征阐明了结构演变和微生物-材料相互作用机制。我们的发现为优化电子通量调节和通过定制的微生物-材料相互作用提高产甲烷效率提供了框架。

部分内容摘录

底物和接种污泥特性

根据先前的研究[18]，当地食物废物的主要成分包括40%的淀粉、30%的蔬菜、20%的水果和10%的肉类，所有成分均按湿重计算。为了模拟这一组成，使用大米、卷心菜、香蕉皮以及精确配比的瘦肉和肥肉按1:1的比例制备了合成食物废物混合物。每种成分均使用搅拌机均质化，以达到小于5.0毫米的颗粒大小。

pH值、SCOD和TAN的变化

在AD系统中，pH值是一个反映微观环境条件的关键参数[18]。如补充图S3所示，在含有不同剂量Fe₂O₃或MDF的AD装置中观察到了pH值波动。所有生物反应器的pH值趋势相似，最初3天内下降到6.0-6.3，随后逐渐恢复并稳定在7.0以上，这有利于产甲烷代谢[22]。相比之下，SCOD则表现出相反的趋势（

讨论

本研究确定Trichococcus是含有Fe₂O₃系统中的优势属，它促进了复杂碳水化合物的降解并将多余的电子转移给Fe₂O₃。这种电子传递机制增强了有机物的分解和酸生成，部分解释了含有Fe₂O₃系统中观察到的甲烷产量中等程度的提高。然而，没有直接证据表明Fe₂O₃除了提高HM活性外还能直接促进产甲烷。

结论

本研究专门设计了一种高结晶度的MDF，以克服由铁还原竞争引起的产甲烷限制，这是传统Fe₂O₃的一个关键缺点。结果验证了这一策略的有效性，10克/升的MDF将甲烷产量提高了8.44%，最终达到547.91毫升/克。MDF的高结晶度（95.56%）有效抑制了铁还原菌（如Trichococcus），从而减轻了电子供体的竞争。

未引用的参考文献

[50], [51], [52], [53]

CRediT作者贡献声明

谢娟璐：监督、项目管理。娟毛：监督、项目管理。易涵：可视化、方法学、研究、数据分析、概念化。郑克立：方法学、研究。吴晓辉：监督、项目管理。詹飞翔：验证、资源获取、研究、资金筹措、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢中国国家自然科学基金（项目编号52370136）的支持。我们还要感谢华中科技大学环境科学与工程学院内的环境研究设施公共服务平台（www.shiyanjia.com）在手稿润色方面提供的帮助。