中国石油大学（北京）李叶青、中国农业科学院潘君廷团队CEJ：半导体辅助光厌氧消化优化腐植酸分解和产甲烷

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成果简介

中国石油大学（北京）李叶青团队与中国农业科学院潘君廷团队合作在国际知名学术期刊Chemical Engineering Journal发表题为“Optimizing humic acid breakdown and methane production via semiconductor-assisted photo-anaerobic digestion”的论文。深入探讨了氮掺杂碳量子点（NCQDs）缓解光厌氧消化（AD）中腐植酸（HA）抑制机制。提出利用光照和NCQDs联合作用，协同改善受HA抑制AD系统的累积CH₄产量。借助3D-EEM和ESI FT-ICR MS对消化器内剩余溶解有机物（DOM）进行了深入分析。同时，提取剩余HA并进行FT-IR分析。光电化学分析和特异性基因qPCR分析解析了NCQDs和HA的光电效应对甲烷生成的作用机制。这项工作全面揭示了半导体在光AD系统中的潜在机制，提供了通过光驱动构建AD反应器和增效的深入见解。

引言

多项研究表明，HA主要在水解和产甲烷阶段抑制AD。在这两个阶段，HA通过与蛋白酶、α-葡萄糖苷酶和辅酶F₄₂₀结合降低酶活性抑制微生物。这种抑制显著影响转化效率。研究发现，在半连续AD中HA抑制74.3%的转化效率（累积CH₄产量）。目前，缓解HA抑制的方法包括提取、添加过量水解酶和添加适量金属离子。这些方法由于操作性差、成本高或对微生物的负面影响而受到限制。我们之前的研究发现，氮掺杂的碳量子点（NCQDs）原位与HA结合，屏蔽抑制作用（J Clean Prod, 2023, 419: 138258）。这种方法操作简单，对微生物没有不良影响。然而，与提取HA和添加水解酶相比，NCQDs只能屏蔽HA抑制作用，未能将其消除。

在本研究中，以秸秆为原料，采用水热法合成了NCQDs。然后探索NCQDs减轻HA抑制的作用，明确揭示NCQDs的降解作用。该研究采用了包括ESI FT-ICR MS在内的多种分析策略，以阐明NCQDs对底物的影响。此外，该研究深入研究了底物的光电化学性质、微生物群落结构和酶丰度，揭示了光AD系统中涉及光响应材料的复杂机制。这项研究为进一步处理HA抑制提供了一种新的方法，并全面揭示了光AD系统中光响应材料的机理。

图文导读

以来源广泛的玉米秸秆作为前体合成了NCQDs（如图1）。该方法显著提高了NCQDs的产率，达到30.5 ± 3.6%，是现有方法获得产率的75%以上。TEM图像显示，NCQD的平均粒径为1.80 ± 0.24 nm，表现出0.20 nm的典型石墨碳（100）晶格条纹间距。

图1. 绿色方法合成秸秆基碳量子点（示意图1）

受HA抑制的光AD中NCQDs促进产甲烷的性能表现

R：对照组；R^L：仅提供光照；R(HA)：含有HA；

R(HA)^L：含有HA并提供光照；R(HA)^L_NCQD：含有HA并提供光照与NCQDs

在没有光照的系统中：HA对累积CH₄产量和最大日CH₄产量都有显著的抑制作用。与R相比，R(HA)的累积和最大日CH₄产量分别下降了41.2%和52.2%。

在提供光照后：光照促进HA抑制系统的累积CH₄产量显著增加到223.0 ± 42.1 mL/g VS。日CH₄产量有两个峰值，第1天和第7天。在第6天之后，R(HA)^L的累积CH₄产量（159.0 ± 45.3 mL/g VS）超过了R，但仍低于R^L。其累积CH₄产量在第11天与R^L一致。这些结果表明光在促进甲烷生成中的作用及其在减轻HA抑制的潜力。

继续提供NCQDs：NCQDs的引入进一步将累积CH₄产量提高至293.7 ± 17.7 mL/g VS（R(HA)^L_NCQD），最大日CH₄产量达到178.0 ± 32.7 mL/g VS。甲烷产量的增加可归因于几个因素，包括NCQDs对HA的屏蔽作用、光响应以及对产甲烷菌的作用。其中，光激发NCQDs导致空穴和电子的产生，而空穴和电子在这一过程中起着至关重要的作用。促进了HA的降解，同时提供了支持甲烷生成的电子。如图2c，当NCQDs（500 mg/L）和HA（1.0 g/L）在水溶液中被光激发时会产生•OH自由基，分别为4.5×10^-6 moL/L和3.5×10^-6moL/L。这种浓度的•OH自由基对微生物死亡率没有影响。

图2. 累积CH₄产量（a）和日CH₄产量（b）随时间的变化。在水溶液中通过HA和NCQDs检测到的•OH的EPR信号（c）

受HA抑制的光AD中NCQDs促进产甲烷机制：HA降解

Van Krevilen图：Van Krevelen图显示了DOM的7个组分的变化。如图4a，AD显著降低了系统中类纤维素样组分的含量（图4b ~ d）。基于相对强度比例，7个组分的百分比定量被确定。在R(HA)^L_NCQD中，DOM中的木质素物质的相对比例最低，为29.70%。与HAs的DOM相比，该组分减少了28.9%。R(HA)和R(HA)^L显示出类似的减少程度。此外，低分子量物质（如蛋白质、碳水化合物和单宁）的百分比增加了。

图 4. DOM在水溶液中的Van Krevelen图 (a)，以及包含HA的不同AD系统中的Van Krevelen 图 (b ~ d)。不同颜色的线框代表不同的亚类成分。

双键当量（DBE）：图5a显示在AD系统中出现了更多高碳数（24~33）和高DBE（15~22）的组分，这可归因于HA的降解。DBE-O₆是一个更具代表性的参数，代表不饱和度。HA的DOM具有高含量的低碳数和低DBE-O₆组分（具有较高的相对峰强度）。在AD的后期阶段，DOM的高相对含量组分（DBE-O₆）主要以高碳数为主（图5c）。在R(HA)^L和R(HA)^L_NCQD中，几乎只有两个组分C₁₈/(DBE-O₆)₁₀和C₁₈/(DBE-O₆)₁₁（图5d和e）。

上述结果表明，光和NCQDs促进了HA在AD系统中降解为小分子，这些小分子有可能被微生物进一步用作甲烷生成的碳源（图5f为示意图）。

图 5. CHO在不同系统中的DBE与C数图 (a)。CHO在不同系统中的DBE-O₆与C数图 (b ~ e)。示意图说明NCQDs如何促进HA光降解 (f)。

受HA抑制的光AD中NCQD促进产甲烷机制：光驱动甲烷化

光电特征：HA表现出与NCQDs相似的完整CV曲线和I-t变化曲线（图6a和b），表明它们对光的反应能力。HA的响应波长范围主要集中在400 nm以上的可见光范围内（图6c）。图6d显示了R(HA)和R(HA)^L_NCQD中的底物产生瞬态光电流。这表明，R(HA)^L中累积CH₄产量的增加不仅可归因于光引起的HA及其DOM的降解，还可归因于微生物利用HA产生的光电子，进一步促进甲烷生成。

然而，在R(HA)^L中获得的底物没有产生光电流，这表明HA的结构在辐照11天后发生了变化并失去了其光响应特性。另一方面，与R(HA)^L相比，R(HA)^L_NCQD中的衬底表现出更高的光电流，特别是在前140秒内。这些结果表明，NCQDs和HA的组合产生了更多被微生物利用的光电子。此外，含有NCQDs的底物表现出较低的电化学阻抗，导致更有效的光电流转移到微生物（图6e）。

在光响应材料和微生物之间的生物-非生物界面发生的电子转移对促进甲烷生成至关重要。这种转换机制的示意图如图6f所示。

图 6. HA和NCQDs的CV曲线(a)和光电流(b)。HA的紫外-可见漫反射吸收光谱(c)。不同消化器中剩余固体基质的光电流(d)和ESI (e)。生物-非生物界面处光驱动甲烷生成的示意图 (f)。

基于基因拷贝数计算酶的百分比含量（图7）：[NiFe]-氢化酶（Ech）是一种参与产甲烷菌厌氧呼吸的重要酶，在电子接收和转移中起着关键作用。在R(HA)^L和R(HA)^L_NCQD中，亚单位EchA的百分比分别达到~28%和~40%。这一观察结果表明，Ech参与接收和转移生物-非生物界面处由HA以及NCQDs与HA结合体产生的光电子（图8）。

对氨基苯嗪依赖性氢化酶（Vht）是DIET过程中使用的电子载体之一，有助于形成用于电子传导的微生物纳米线。同时，异二硫还原酶（Hdr）是产甲烷菌中发现的一种酶，参与CoM-S-CoB辅酶的还原，产生产甲烷菌所需的能量（如图8），并在厌氧呼吸过程中参与古菌黄素基电子载体的还原。与R^L和R(HA)相比，VhtA和HdrD在R(HA)^L_NCQD中的平均拷贝数比例降低，分别占55%和4%。EchA的优势和VhtA和HdrD的减少表明，在光催化产生光电子的环境中，光驱动的甲烷生成比依赖于电子转移的甲烷化表现出更明显的促进潜力。

图 7. 不同实验组微生物群落中编码功能蛋白质的特定基因的平均基因拷贝数比

图 8. NCQDs在受到HA抑制的光厌氧消化系统中的作用机制：光照条件下加速降解并产生光电子