构建微生物-电化学界面：钴铁双金属功能化生物炭增强光驱动生物制氢中的电子通道并调控代谢通路

《Biochar》：Engineering the microbial-electrochemical interface: synergistic of co-fe nano biochar composites for enhanced electron channelling to alter the metabolic pathway in light-driven biohydrogen production

本研究针对光发酵生物制氢(PFHP)过程中胞内/胞外电子转移(IET/EET)效率低下的瓶颈问题，提出了一种创新的解决方案：通过钴(Co)和铁(Fe)双金属功能化改性生物炭(BC)，工程化构建微生物-电化学界面。研究结果表明，优化的Co-Fe/BC复合材料能显著提升电子传递能力，将生物氢气产率和产量分别提高103.11%和101.61%，并通过调控丁酸向乙酸的代谢转变优化了产氢途径。这项工作为增强可再生能源生物氢生产提供了一种可扩展的策略，具有重要的理论和应用价值。

　　

随着全球能源需求的不断攀升和对化石燃料依赖带来的环境问题日益严峻，开发可持续、高效的能源转化技术迫在眉睫。氢能，以其高能量密度和燃烧产物仅为水的“零碳”特性，成为研究热点。其中，利用微生物在光照下将有机废物转化为氢气的光发酵生物制氢(PFHP)技术，因其能够利用太阳能、操作简单、底物来源广泛（包括农业废弃物）等优点，展现出巨大潜力。然而，这项技术的效率一直受到一个关键瓶颈的制约：微生物细胞内部和细胞与外界环境之间的电子传递(IET/EET)效率低下。好比一座城市发电量充足，但输电网络老旧、电阻巨大，导致电力无法有效输送到用户手中，限制了整座城市的能源利用。因此，如何为产氢微生物搭建一条高效、通畅的“电子高速公路”，是提升PFHP效率的核心挑战。

为了破解这一难题，研究人员将目光投向了生物炭(BC)。生物炭是一种由生物质在限氧条件下热解产生的富碳材料，具有比表面积大、孔隙结构丰富等特性，在生化系统中能增强电子传递。但是，原始生物炭(PBC)表面存在的非导电性聚合物基团会阻碍其电荷转移效率。于是，一项发表于《Biochar》杂志的研究提出了一种巧妙的“界面工程”策略：通过对生物炭进行钴(Co)和铁(Fe)双金属功能化修饰，来“改造”生物炭，使其成为更优异的电子“导体”和“中转站”，从而在发酵介质中构建一个高效的微生物-电化学界面，最终达到提升产氢效率的目的。

为开展此项研究，作者团队运用了几个关键的技术方法。首先，他们以丰富的农业废弃物玉米秸秆为原料，通过高温热解制备了原始生物炭(PBC)，并进一步采用浸渍-热解法合成了单金属(Co或Fe)和双金属(Co-Fe)功能化的生物炭。其次，他们系统地表征了这些材料的物理化学特性，包括利用扫描电子显微镜(SEM)观察形貌，利用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，利用比表面积及孔隙分析(BET)测定比表面积和孔径分布，利用X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)分析表面元素化学态和缺陷程度。再者，通过循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)、电化学阻抗谱(EIS)和计时电流法(CA)等一系列电化学测试，全面评估了不同生物炭的电荷转移能力、电子供体/受体容量和界面电阻。最后，在批式发酵实验中，考察了不同浓度生物炭对产氢速率(HPR)、产氢量(CHY)、发酵液pH、氧化还原电位(ORP)、还原糖消耗以及挥发性脂肪酸(VFAs)等代谢产物的影响，并通过微生物群落分析探究了生物炭对菌群结构的影响。

研究取得了系列重要结果，具体如下：

1. 物理化学特性分析：表征结果显示，双金属功能化显著优化了生物炭的结构与性质。Co-Fe/BC的比表面积达到378.40 m²/g，比PBC高出22.83%，并具有丰富的介孔和微孔结构，为微生物附着和反应提供了更多位点。XPS分析证实了Co²⁺/Co³⁺和Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对的共存，以及氧空位(OVs)的生成，这些缺陷和可变价态金属是促进电子转移的关键。拉曼光谱中较高的I_D/I_G比值也表明Co-Fe/BC具有更多的结构缺陷。

2. 电化学特性分析：电化学测试强有力地证明了Co-Fe/BC卓越的电子传递性能。其界面电荷转移电阻(R_ct)低至1.74 Ω，比PBC (4.66 Ω)降低了106.77%，表明电子传递阻力显著减小。相应的氧化还原电流高达1.22 mA，远高于PBC的0.59 mA。此外，Co-Fe/BC表现出最高的电子给予容量(EDC)和电子接受容量(EAC)。差分脉冲伏安法(DPV)分析进一步揭示，Co-Fe/BC能显著增强黄素(flavin)和c-型细胞色素(c-Cytochrome)相关的氧化还原峰电流，表明其作为电子穿梭体，有效促进了基于这些生物分子的胞外电子转移(EET)过程。

3. 对光发酵生物制氢性能的影响：发酵实验结果表明，在最优添加浓度(20 mg/L)下，Co-Fe/BC对产氢的促进效果最为惊人。与未添加生物炭的对照组(CG)相比，其最大产氢速率(HPR)和累计产氢量(CHY)分别提高了101.61%和103.11%。这一提升幅度也显著优于单金属功能化的Co/BC和Fe/BC，证明了Co与Fe之间存在显著的协同效应。

4. 对代谢途径和微生物群落的影响：代谢产物分析发现，添加Co-Fe/BC改变了发酵的代谢流向。与CG主要遵循产氢量相对较低的丁酸型发酵途径不同，Co-Fe/BC组中乙酸浓度相对升高，丁酸浓度相对降低，即代谢从丁酸途径更多地向产氢效率更高的乙酸途径转变。微生物群落高通量测序分析显示，Co-Fe/BC组中产氢关键菌属Clostridium的相对丰度达到86.72%，高于CG的79.77%。这说明Co-Fe/BC不仅提供了物理性的电子传递通道，还通过调节微环境优化了产氢菌群的生长和代谢功能。

综合以上研究结果，可以得出明确结论：通过钴和铁双金属功能化工程改造生物炭，成功构建了一个高效的微生物-电化学界面。该Co-Fe/BC复合材料凭借其增大的比表面积、丰富的孔隙结构、Co/Fe氧化还原对以及由此产生的氧空位，极大地增强了电荷转移能力，降低了界面电子传递电阻。在光发酵生物制氢体系中，它充当了高效的电子穿梭体，促进了基于黄素和c-型细胞色素的胞外电子转移。这不仅直接加速了产氢过程，更关键的是，它调控了微生物的代谢途径，使其从产氢效率较低的丁酸代谢更多地向产氢效率更高的乙酸代谢转变，同时富集了关键的产氢菌群。

这项研究的重要意义在于，它超越了简单地添加导电材料以提升电子传递的传统思路，而是通过精准的材料设计，实现了对“材料-微生物”界面的主动工程化改造。研究证明，Co-Fe功能化生物炭不仅能“搭桥”解决电子转移瓶颈，更能作为一个具有生物相容性的导电界面，持续调节微生物的电化学相互作用和代谢行为。这为理解并人工调控微生物电化学系统提供了新视角，也为利用丰富的农业废弃物（如玉米秸秆）制备高性能、低成本的生物制氢催化剂，从而优化可再生能源生产，提供了一种具有高度可扩展性的创新策略。