利用Fe-MOF及其衍生碳复合材料提高食物废弃物厌氧消化过程中的甲烷产量：性能研究、多组学分析及作用机制探讨

《Journal of Environmental Management》：Enhancing methane production in anaerobic digestion of food waste by Fe-MOF and Fe-MOF-derived carbon composites: Insights into properties, multi-omics analyses, and mechanisms

提高食品废弃物厌氧消化产甲烷效率的Fe-MOF及其衍生碳材料机制研究。通过基因组学和蛋白质组学分析，揭示了材料热解温度对电子转移、微生物群落结构和代谢通路的影响，Fe-MDC-500因最佳导电性及比表面积实现23.56%的最大甲烷增产。

　　

王新子|刘璐|范伟杰|刘如飞|袁海荣|李秀珍

北京化工大学化学资源工程国家重点实验室，北京，100029，中国

摘要

在本研究中，首次将300°C、500°C和700°C下制备的Fe-MOF及其衍生的碳复合材料（Fe-MDCs）应用于厌氧消化过程，以实现从食物垃圾中高效生产可再生能源。通过宏基因组学和宏蛋白质组学分析进一步探讨了甲烷产量的提升机制。结果表明，与对照组相比，Fe-MOF组、Fe-MDC-500组和Fe-MDC-700组的甲烷产量分别提高了9.66%-13.99%、16.21%-23.56%和7.99%-19.84%。其中，Fe-MDC-500具有优异的电子导电性和较高的比表面积，这有助于促进微生物间的电子转移，并为微生物附着提供丰富的表面位点，从而提高甲烷产量。宏基因组学分析显示，在Fe-MOF、Fe-MDC-500和Fe-MDC-700组中，与甲烷代谢相关的功能性微生物、关键基因及其辅酶的活性均有所增强。而在Fe-MOF-300组中，由于共生作用较弱，甲烷产量最低。宏蛋白质组学分析还表明，与群体感应系统、转录和翻译相关的蛋白质表达上调，表明Fe-MDC-500可能促进了产甲烷微生物与共生微生物之间的通信，进而增强了厌氧消化系统的代谢活性。同时，参与酶合成和催化生物转化的关键蛋白质（包括RNA聚合酶、核糖体和氨酰-tRNA生物合成相关蛋白）的表达也显著增加。本研究通过阐明关键代谢途径和功能基因，阐明了外源材料增强甲烷产量的机制，为优化能源回收系统提供了宝贵的见解。

引言

近几十年来，化石燃料的利用对气候变化产生了负面影响。作为一种有前景的替代方案，可再生能源受到了广泛关注，以满足不断增长的全球能源需求。全球范围内，食物垃圾（FW）管理面临着由于其大规模生产和潜在环境影响所带来的重大挑战。利用食物垃圾中的有机化合物进行厌氧消化（AD）是一种生产可再生生物燃料的有效途径（Sun等人，2024年）。然而，由于降解速率慢、挥发性脂肪酸（VFAs）积累以及产物抑制作用，食物垃圾的AD过程效率较低。因此，有必要开发一种有效且高效的策略来提升AD性能。

添加外源材料（如碳纳米管和石墨烯）可以通过刺激微生物间的直接电子转移（DIET）来改善甲烷生成过程（Azad等人，2025年）。近年来，金属-有机框架（MOFs）因其可调的结构、可设计的孔隙率和明确的吸附位点而成为最受欢迎且发展迅速的材料之一。与一般外源材料相比，MOFs在提升AD性能方面展现出巨大潜力。例如，Chen等人（2022年）发现MOF-808在玉米秸秆的AD过程中使生物气体产量和甲烷含量分别增加了11.06%-39.82%和10.15%-14.28%。Yan等人（2024年）指出，MIL-100(Fe)碳布阳极在微生物电解池-AD中提高了甲烷产量和底物降解效率。基于锆的MOF-808能够增强质子转移能力，从而加速微生物间的氢转移（IHT），最终提高甲烷产量（Dong等人，2023年；Liu等人，2022年）。

然而，MOFs的导电性不足限制了其性能（Deng等人，2022年）。为了同时考虑质子和电子转移能力，需要对MOFs进行适当的改性。通过碳化MOFs制备得到的MOF衍生碳材料（MDCs）在保持其优点的同时，具有高比表面积和层次多孔结构。因此，添加MDCs有望建立两条电子转移途径（包括IHT和DIET），从而提高AD性能。先前有研究表明，添加MOF衍生的多孔金属氧化物/石墨烯纳米复合材料可促进辅酶F420的活性，并增强乙酸裂解途径，从而提高甲烷产量（Ye等人，2024年）。迄今为止，Fe-MOFs和Fe-MDCs对厌氧甲烷生成的促进作用及其潜在机制尚未得到系统研究。

近年来，16S rRNA和宏基因组测序技术被广泛用于预测受外源添加剂影响的AD系统中的微生物群落结构和代谢途径。然而，这些传统技术无法直接测量微生物活性。即使微生物死亡、处于休眠状态或未表达相关功能，也能检测到基因（Quince等人，2017年）。高表达的蛋白质是基因表达的结果和产物，在微生物的生命活动中起着重要作用，并是各种功能的最终执行者（Li等人，2023年）。因此，宏蛋白质组测序方法为直接证明微生物的代谢功能和生理活性提供了有效策略。先前的研究利用宏基因组学和宏蛋白质组学分析揭示了AD过程中稳态和氨诱导不稳定性状态下功能蛋白质表达的差异（Liu等人，2021a；Zhang等人，2022年）。然而，很少有研究结合这两种方法来阐明AD系统对外源添加剂的响应机制。本研究结合宏基因组学和宏蛋白质组学分析，为深入理解功能微生物、代谢途径和功能基因之间的关系提供了有前景的策略。

本研究探讨了在不同碳化温度（300°C、500°C和700°C）下添加Fe-MOF和Fe-MDCs对甲烷产量的影响。评估并比较了四种材料的物理化学特性，并通过宏基因组学和宏蛋白质组学分析了解了潜在的作用机制，特别是Fe-MDC-500补充所介导的群体感应机制。本研究为MOFs和MDCs在废物处理领域的实际应用提供了新的见解，对于揭示AD性能背后的驱动机制具有重要意义。

Fe-MOF及其衍生碳材料的合成

图S1展示了Fe-MOF及其衍生碳材料的详细合成过程。将FeCl₃·6H₂O（10 mmol，2.70 g）和H₂BDC（10 mmol，1.49 g）放入60 mL二甲基亚胺（DMF）中并搅拌。混合物转移到装有100 mL特氟龙内衬的不锈钢高压釜中，然后密封高压釜进行水热反应（120°C，12小时）（Zhang等人，2021年；Zhou等人，2025年）。反应产物随后用DMF和乙醇洗涤并蒸馏。

Fe-MOF及其衍生碳材料的特性

不同材料对甲烷产量的影响与其特性有关。Fe-MOF及其衍生碳材料的形态结果（图1a–d）显示为六角柱状结构，这在先前的文献中已有报道（Zhang等人，2021年）。关于元素组成，EDS线扫描图像显示每个样品的结构中都含有铁元素（图S2）。在不同温度下煅烧后，表面...

结论

本研究系统比较了Fe-MOF和Fe-MDCs对厌氧消化（AD）中甲烷产量的影响，并通过多组学方法研究了潜在机制。结果表明，Fe-MOF、Fe-MDC-500和Fe-MDC-700提高了食物垃圾AD过程中的甲烷产量。添加Fe-MOF和Fe-MDC-700缩短了AD的滞后时间。当Fe-MDC-500的用量为0.05 g/g TS时，甲烷产量提高了23.56%，VFAs去除率达到了76.49%。

作者贡献声明

王新子：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，调查，正式分析，数据管理。刘璐：验证，正式分析。范伟杰：调查，数据管理。刘如飞：监督。袁海荣：项目管理。李秀珍：监督，项目管理，方法学研究，资金申请，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（编号：2024YFC3909101）的资助支持。