在厌氧消化过程中，氧化石墨烯的原位还原使其作用从抑制剂转变为潜在的甲烷生成促进剂

《Bioresource Technology》：In situ reduction of graphene oxide during anaerobic digestion shifts its role from inhibitor to potential promoter of methanogenesis

本研究通过连续批次实验探究石墨烯氧化物（GO）对挥发性脂肪酸（VFAs）降解及甲烷生成的影响，发现GO在微生物还原后（tGO）显著提升乙酸和丁酸降解率（分别达44.2%和54.1%），并通过直接间种电子转移（DIET）机制增强甲烷生成，揭示了GO在厌氧消化系统中的选择性代谢调控潜力。

　　

康伊宇（Ilwoo Kang）|阿尼莎·拉迪蒂亚·努罗玛（Anisa Raditya Nurohmah）|洪智元（Jiwon Hong）|裴伊罗（Ilho Bae）|朴昌贤（Changhyeon Park）|申朱熙（Juhee Shin）|李允基（Younki Lee）|申承圭（Seung Gu Shin）

韩国庆尚国立大学能源系统工程系，金珠市Jinjudae-ro 501号，庆尚南道52828

摘要

氧化石墨烯（GO）因其环境应用以及在厌氧消化（AD）中作为导电介质的作用而受到关注。然而，其对挥发性脂肪酸（VFAs）降解的影响尚不清楚。通过使用乙酸、丙酸和丁酸进行的一系列批次实验，评估了GO在甲烷产生和微生物相互作用中的作用。最初，GO略微抑制了甲烷的产生，这可能是由于抑制了辅酶F₄₂₀的活性。从第二批次开始，GO被微生物还原为具有还原特性的处理后的GO，从而使甲烷产量提高了多达58.4％。乙酸和丁酸的降解速率分别增加了44.2％和54.1％，而丙酸的降解速率没有改善。微生物分析显示，GO浓度与直接种间电子转移（DIET）相关的微生物类群之间存在强相关性，包括Methanothrix和Syntrophomonadaceae。因此，被微生物还原的GO通过DIET选择性地促进了由乙酸和丁酸驱动的甲烷生成，突显了其在AD系统中的路径特异性潜力及其提高生物能源回收效率的潜力。

引言

随着石墨烯研究的迅速发展，氧化石墨烯（GO）近年来受到了越来越多的关注，其在电化学器件、能量存储、催化、细胞成像、光疗、药物递送、生物传感和环境修复等领域具有广泛应用前景（Dong等人，2019年；Geim和Novoselov，2007年；Hu和Zhou，2013年）。然而，这种广泛的应用引发了对其可能释放到环境中及其相关风险的担忧（Dong等人，2019年；Hu和Zhou，2013年）。由于其低溶解度和强吸附能力，GO在水处理过程中难以完全去除，且其与微生物的相互作用及其沉降行为取决于其大小和形态。特别是纳米级的GO在处理后更有可能持续存在，导致有机污染物在废水中的积累，并可能造成长期的二次污染，带来潜在的生态危害（Hu和Zhou，2013年）。图1 图2。

在厌氧条件下，GO可以被微生物还原为还原型石墨烯（rGO），后者表现出更高的电导率（Ponzelli等人，2022年）。这种还原过程可能促进厌氧消化过程中的直接种间电子转移（DIET）。DIET使发酵细菌和产甲烷菌能够通过导电材料、细胞色素或导电菌毛直接交换电子，而无需依赖氢气（H₂）或甲酸等中间体。这一途径缓解了热力学限制，并已知可以提高甲烷产生的速率和产量（Baek等人，2018年；Park等人，2018年；Wang和Lee，2021年）。因此，多项研究探索了添加铁基或碳基材料以促进DIET，GO也因其作为微生物还原过程中DIET介质的潜力而受到关注（Ponzelli等人，2022年）。表1

先前的研究表明，添加GO可以影响厌氧消化的性能，而生物还原后的GO（bio-rGO）可能增强甲烷的产生。然而，大多数研究集中在使用纤维素等简单底物的总甲烷产量或整体过程性能上，而GO和bio-rGO对个别底物降解途径的差异性影响仍不清楚（Ponzelli等人，2022年）。挥发性脂肪酸（VFAs），包括乙酸、丙酸和丁酸，是厌氧消化中的关键中间体，与发酵细菌和产甲烷菌直接相关。它们的积累和降解速率对过程稳定性至关重要（Rusanowska等人，2025年；Wang等人，2009年）。因此，阐明GO在个别VFAs降解中的具体作用及其还原形式对这些代谢途径的独特影响，对于理解GO的实际影响及其与DIET机制的联系具有重要的研究价值。

在这项研究中，我们进行了一系列批次实验，以评估GO对甲烷产生和VFAs降解的影响。使用乙酸、丙酸和丁酸作为直接底物，研究GO在各个代谢途径中的作用。通过微生物群落分析，探讨了产甲烷菌、发酵细菌和电子转移机制之间的潜在联系。此外，还表征了实验后回收的GO，以评估其在厌氧条件下的性质是否类似于rGO。通过这种方法，我们旨在证明GO可以在厌氧消化过程中同时诱导路径特异性的电子转移和结构转变，从而为其潜在应用和环境影响提供新的见解。

部分内容摘要

氧化石墨烯的合成

氧化石墨烯（GO）是使用改进的Hummers方法合成的（Chen等人，2017年）。简要来说，向置于冰浴中的烧瓶中加入23毫升硫酸（H₂SO₄），然后加入1克石墨并搅拌。随后加入0.5克硝酸钠（NaNO₃），并在持续搅拌下缓慢加入3克高锰酸钾（KMnO₄）。然后将反应温度调整至35°C并保持搅拌。之后，加入6毫升蒸馏水

批次1–4

在对照组中，甲烷产量随批次增加而减少，从第一批的405.1±4.96 mL·gVS^?1降至第二批的345.5±2.40 mL·gVS^?1、第三批的335.9±1.30 mL·gVS^?1和第四批的313.9±17.7 mL·gVS^?1（每组n=3，平均值±标准差）。单因素方差分析（ANOVA）显示批次之间存在显著差异（p<0.05），Tukey的事后检验表明只有第一批次和第四批次之间的差异具有统计学意义（p

结论

本研究表明，在厌氧消化过程中，氧化石墨烯会被微生物还原为具有类似rGO结构和电子特性的tGO。一旦发生这种转化，tGO作为导电介质，选择性地促进了乙酸和丁酸的降解，而对丙酸的氧化影响较小。微生物群落模式表明，共生细菌和产甲烷菌之间的种间电子转移得到增强，这可能是通过DIET实现的

CRediT作者贡献声明

康伊宇（Ilwoo Kang）：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据分析、概念化。阿尼莎·拉迪蒂亚·努罗玛（Anisa Raditya Nurohmah）：撰写——审阅与编辑、方法论、数据管理。洪智元（Jiwon Hong）：撰写——审阅与编辑、资源管理、方法论。裴伊罗（Ilho Bae）：撰写——审阅与编辑、调查。朴昌贤（Changhyeon Park）：撰写——审阅与编辑、调查。申朱熙（Juhee Shin）：撰写——审阅与编辑、调查。李允基（Younki Lee）：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理。申承圭（Seung Gu Shin）：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（RS-2024-00393129和RS-2025-00560611）的支持。本研究还包含了由教育部和庆尚南道支持的“庆尚南道区域创新系统与教育（RISE）”项目的结果。