《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
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本研究針對光發酵生物制氫(PFHP)過程中胞內/胞外電子轉移(IET/EET)效率低下的瓶頸問題，提出了一種創新的解決方案：通過鈷(Co)和鐵(Fe)雙金屬功能化改性生物炭(BC)，工程化構建微生物-電化學界面。研究結果表明，優化的Co-Fe/BC復合材料能顯著提升電子傳遞能力，將生物氫氣產率和產量分別提高103.11%和101.61%，并通過調控丁酸向乙酸的代謝轉變優化了產氫途徑。這項工作為增強可再生能源生物氫生產提供了一種可擴展的策略，具有重要的理論和應用價值。
隨著全球能源需求的不斷攀升和對化石燃料依賴帶來的環境問題日益嚴峻，開發可持續、高效的能源轉化技術迫在眉睫。氫能，以其高能量密度和燃燒產物僅為水的“零碳”特性，成為研究熱點。其中，利用微生物在光照下將有機廢物轉化為氫氣的光發酵生物制氫(PFHP)技術，因其能夠利用太陽能、操作簡單、底物來源廣泛（包括農業廢棄物）等優點，展現出巨大潛力。然而，這項技術的效率一直受到一個關鍵瓶頸的制約：微生物細胞內部和細胞與外界環境之間的電子傳遞(IET/EET)效率低下。好比一座城市發電量充足，但輸電網絡老舊、電阻巨大，導致電力無法有效輸送到用戶手中，限制了整座城市的能源利用。因此，如何為產氫微生物搭建一條高效、通暢的“電子高速公路”，是提升PFHP效率的核心挑戰。
為了破解這一難題，研究人員將目光投向了生物炭(BC)。生物炭是一種由生物質在限氧條件下熱解產生的富碳材料，具有比表面積大、孔隙結構豐富等特性，在生化系統中能增強電子傳遞。但是，原始生物炭(PBC)表面存在的非導電性聚合物基團會阻礙其電荷轉移效率。于是，一項發表于《Biochar》雜志的研究提出了一種巧妙的“界面工程”策略：通過對生物炭進行鈷(Co)和鐵(Fe)雙金屬功能化修飾，來“改造”生物炭，使其成為更優異的電子“導體”和“中轉站”，從而在發酵介質中構建一個高效的微生物-電化學界面，最終達到提升產氫效率的目的。
為開展此項研究，作者團隊運用了幾個關鍵的技術方法。首先，他們以豐富的農業廢棄物玉米秸稈為原料，通過高溫熱解制備了原始生物炭(PBC)，并進一步采用浸漬-熱解法合成了單金屬(Co或Fe)和雙金屬(Co-Fe)功能化的生物炭。其次，他們系統地表征了這些材料的物理化學特性，包括利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察形貌，利用X射線衍射(XRD)分析晶體結構，利用比表面積及孔隙分析(BET)測定比表面積和孔徑分布，利用X射線光電子能譜(XPS)和拉曼光譜(Raman)分析表面元素化學態和缺陷程度。再者，通過循環伏安法(CV)、線性掃描伏安法(LSV)、電化學阻抗譜(EIS)和計時電流法(CA)等一系列電化學測試，全面評估了不同生物炭的電荷轉移能力、電子供體/受體容量和界面電阻。最后，在批式發酵實驗中，考察了不同濃度生物炭對產氫速率(HPR)、產氫量(CHY)、發酵液pH、氧化還原電位(ORP)、還原糖消耗以及揮發性脂肪酸(VFAs)等代謝產物的影響，并通過微生物群落分析探究了生物炭對菌群結構的影響。
研究取得了系列重要結果，具體如下：
1. 物理化學特性分析：表征結果顯示，雙金屬功能化顯著優化了生物炭的結構與性質。Co-Fe/BC的比表面積達到378.40 m2/g，比PBC高出22.83%，并具有豐富的介孔和微孔結構，為微生物附著和反應提供了更多位點。XPS分析證實了Co2+/Co3+和Fe2+/Fe3+氧化還原對的共存，以及氧空位(OVs)的生成，這些缺陷和可變價態金屬是促進電子轉移的關鍵。拉曼光譜中較高的ID/IG比值也表明Co-Fe/BC具有更多的結構缺陷。
2. 電化學特性分析：電化學測試強有力地證明了Co-Fe/BC卓越的電子傳遞性能。其界面電荷轉移電阻(Rct)低至1.74 Ω，比PBC (4.66 Ω)降低了106.77%，表明電子傳遞阻力顯著減小。相應的氧化還原電流高達1.22 mA，遠高于PBC的0.59 mA。此外，Co-Fe/BC表現出最高的電子給予容量(EDC)和電子接受容量(EAC)。差分脈沖伏安法(DPV)分析進一步揭示，Co-Fe/BC能顯著增強黃素(flavin)和c-型細胞色素(c-Cytochrome)相關的氧化還原峰電流，表明其作為電子穿梭體，有效促進了基于這些生物分子的胞外電子轉移(EET)過程。
3. 對光發酵生物制氫性能的影響：發酵實驗結果表明，在最優添加濃度(20 mg/L)下，Co-Fe/BC對產氫的促進效果最為驚人。與未添加生物炭的對照組(CG)相比，其最大產氫速率(HPR)和累計產氫量(CHY)分別提高了101.61%和103.11%。這一提升幅度也顯著優于單金屬功能化的Co/BC和Fe/BC，證明了Co與Fe之間存在顯著的協同效應。
4. 對代謝途徑和微生物群落的影響：代謝產物分析發現，添加Co-Fe/BC改變了發酵的代謝流向。與CG主要遵循產氫量相對較低的丁酸型發酵途徑不同，Co-Fe/BC組中乙酸濃度相對升高，丁酸濃度相對降低，即代謝從丁酸途徑更多地向產氫效率更高的乙酸途徑轉變。微生物群落高通量測序分析顯示，Co-Fe/BC組中產氫關鍵菌屬Clostridium的相對豐度達到86.72%，高于CG的79.77%。這說明Co-Fe/BC不僅提供了物理性的電子傳遞通道，還通過調節微環境優化了產氫菌群的生長和代謝功能。
綜合以上研究結果，可以得出明確結論：通過鈷和鐵雙金屬功能化工程改造生物炭，成功構建了一個高效的微生物-電化學界面。該Co-Fe/BC復合材料憑借其增大的比表面積、豐富的孔隙結構、Co/Fe氧化還原對以及由此產生的氧空位，極大地增強了電荷轉移能力，降低了界面電子傳遞電阻。在光發酵生物制氫體系中，它充當了高效的電子穿梭體，促進了基于黃素和c-型細胞色素的胞外電子轉移。這不僅直接加速了產氫過程，更關鍵的是，它調控了微生物的代謝途徑，使其從產氫效率較低的丁酸代謝更多地向產氫效率更高的乙酸代謝轉變，同時富集了關鍵的產氫菌群。
這項研究的重要意義在于，它超越了簡單地添加導電材料以提升電子傳遞的傳統思路，而是通過精準的材料設計，實現了對“材料-微生物”界面的主動工程化改造。研究證明，Co-Fe功能化生物炭不僅能“搭橋”解決電子轉移瓶頸，更能作為一個具有生物相容性的導電界面，持續調節微生物的電化學相互作用和代謝行為。這為理解并人工調控微生物電化學系統提供了新視角，也為利用豐富的農業廢棄物（如玉米秸稈）制備高性能、低成本的生物制氫催化劑，從而優化可再生能源生產，提供了一種具有高度可擴展性的創新策略。
