铁酸镍纳米粒子的绿色合成及其对不同产氢体系生物氢合成的调控效应研究

作     者：曹娟娟 

作者单位：安徽工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张琴;唐金鹏

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：绿色合成 铁酸镍纳米粒子 稻草水解液 猪粪废水 产氢 调控机制 

摘      要：基于“双碳目标,顺应绿色发展导向,开发并利用清洁的氢能源已成为本世纪重要的能源主题。氢气可由微生物通过多种代谢途径产生,优化控制非生物参数可最大限度地提高其生物氢产量。近年来,在微生物发酵产氢体系中添加纳米粒子促进产氢已有较多研究,但添加的纳米粒子多集中于单金属或金属氧化物,对于双金属纳米粒子的研究却鲜见报道。铁酸镍纳米粒子的绿色合成,仅见一些合成工艺的报道,其具体应用却少有研究,尤其是绿色合成的铁酸镍纳米粒子在发酵产氢系统中的应用迄今尚未见报道。本研究首先以水葫芦提取液为原料合成稳定性能良好、且能高效促产氢的铁酸镍纳米粒子(NiFeO NPs),在此基础上,深入探究绿色合成的铁酸镍纳米粒子对稻草水解液、猪粪废水发酵产氢体系生物氢合成的调控机制。主要研究内容和结果如下:(1)以水葫芦提取液为稳定剂和调节剂,以含Fe、Ni离子的化合物为前驱体,以20%的水葫芦提取液,在400℃低退火温度下合成了小颗粒、立方形、高稳定性和生物相容性的双金属NiFeO NPs,通过XRD射线衍射结果与标准卡片对比发现,合成的铁酸镍纳米粒子与标准卡片JCPDS NO.10-0325完全一致,没有其他衍射峰,说明成功合成了铁酸镍纳米粒子,通过XPS、EDS能谱分析,证实了镍、铁和氧元素的存在,且无其他杂元素,说明合成的纳米粒子纯度很高。(2)合成的NiFeO NPs按不同浓度添加至Klebsiella sp.发酵稻草水解液产氢体系,动态监测生物氢产量、还原糖浓度、生物量、主要代谢物浓度、酶活,探讨NiFeO NPs强化Klebsiella sp.发酵稻草水解液产氢的调控机制。结果表明:NiFeO NPs添加量为30 mg/L的累积产氢量最高(5544.86±37.03 m L/L),氢化酶和甲酸氢裂解酶活性最大提高分别为102.11%±13.73%和62.99%±4.66%。此外,NiFeONPs的加入提高了葡萄糖、木糖和底物的转化效率,在30 mg/L的NiFeO NPs存在下还原糖转化率达到96%以上。同时,基质转化氢产率(Y(H2/S)))和生物质转化量(Y(B/S)))也得到了提高。NiFeO NPs的添加改变了可溶性代谢产物浓度,从而增强了生物氢合成途径、促进了底物向氢气的转化。(3)合成的NiFeO NPs按不同浓度添加至Klebsiella sp.固定化发酵稻草水解液产氢体系,动态监测生物氢产量、还原糖浓度、活菌数、主要代谢物浓度、氢酶和甲酸氢裂解酶活性、关键基因表达量变化,探讨NiFeO NPs强化固定化Klebsiella sp.发酵稻草水解液产氢的调控机制。结果表明:添加20 mg/L的NiFeO NPs时累积产氢量最高达6129.7±34.05 m L/L,比对照组(未固定化且不添加纳米粒子)提高了85.33%±1.20%。代谢物测定结果表明,丙酮酸含量在发酵96h时较对照处理提高了51.8%,使得以丙酮酸为中间代谢物的支路通量均有提高,从而呈现生物氢产量和相关代谢物谱均提高的新的代谢特性。进行相对表达量分析,结果发现,甲酸氢裂解酶亚基6(FHS)和铁转运蛋白基因1(Fe T1)、氢酶成熟因子(HPD)和铁转运蛋白基因2(Fe T2)分别在发酵24 h、48 h时表达量提高倍数较高。证明24 h和48 h氢气产量较高可能与氢酶成熟因子(HPD)、甲酸氢裂解酶亚基6(FHS)、铁转运蛋白基因1(Fe T1)、铁转运蛋白基因2(Fe T2)的高表达量相关。(4)合成的NiFeONPs按不同浓度添加至猪粪废水发酵产氢体系,监测生物氢产量、主要代谢物含量、微生物菌群变化、关键基因表达量变化,探讨NiFeO NPs强化猪粪废水发酵产氢的调控机制。结果表明:40%的猪粪废水的C/N为29:1,对应的产氢量最佳;添加200 mg/L的NiFeONPs时,累计产氢量最高达1877.1±0.354 m L/L,比对照组(未添加纳米粒子)提高20.46±0.29%。添加200 mg/L NiFeONPs处理的乙醇浓度相对较低,表明NiFeO NPs可减轻乙醇在发酵后期的抑制作用,有利于氢气的产生。对筛选获得的厌氧产氢菌群进行微生物多样性分析,梭状芽孢杆菌属为优势菌属,添加纳米粒子后,微生物菌群的丰富度增加,使系统稳定性增强。添加200 mg/L的纳米粒子时,梭菌氢酶基因1(HYD1)的相对表达量在24 h、48 h均大幅度提高,证明24 h和48 h氢气产量较高可能是与梭菌氢酶基因1(HYD1)的高表达有关。