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能源是社会发展和人类生存的基础，但化石能源的有限性及其燃烧带来的环境问题迫使人类发展可再生能源技术。厌氧发酵技术可以同时实现有机废水处理和生物能源气体(如H2和CH4)回收，具有良好的环境、经济效益和发展前景。然而较低的厌氧发酵效率限制了其进一步应用。添加微量元素和炭材料能够提高厌氧发酵系统稳定性和生物气体产量。本文以铁和镍元素为基础分别合成了铁酸镍纳米粒子(NiFe2O4NPs)和镍掺杂磁性炭(Nickel doped magnetic carbon，NDMC)材料，并将其作为外源添加剂加入厌氧发酵系统中，以达到提高厌氧发酵效率的目的。本研究主要内容包括以下方面：
(1)采用溶胶-凝胶法制备了铁酸镍纳米粒子，将其应用到中温(37℃)和高温(55℃)暗发酵制氢系统中，通过对材料表征、氢气产量、水溶性代谢产物(SMPs)和微生物群落结构等主要指标的分析，探究了NiFe2O4NPs对暗发酵产氢性能的影响。结果表明：适量的NiFe2O4NPs(50-200mg/L)能促进氢气产生。当NiFe2O4NPs添加量为100(37℃)和200(55℃)mg/L时，氢气产率分别为222和130mL/g葡萄糖，比对照组(37℃和55℃)分别提高了38.6%和28.3%。在中温条件下，NiFe2O4NPs能将C.butyricum丰度从10.6%增加到15.0%，导致发酵途径向丁酸型代谢转变，并提高了底物利用率，从而进一步增加了H2产量。此外，在发酵过程中，NiFe2O4NPs会被产氢菌(HPB)腐蚀，并释放Fe和Ni离子，进而提高了氢化酶和HPB的活性。当NiFe2O4NPs进入细胞内时，耐受度高的厌氧菌仍能保持完整的细胞结构，NiFe2O4NPs可能增强此类厌氧菌的胞内电子传递能力。
(2)采用共沉淀法制备了镍掺杂磁性炭(NDMC)，并将其作为外源添加剂应用到中温(37℃)和高温(55℃)暗发酵系统中以增强产氢性能。结果表明：NiFe2O4和Ni(OH)2成功掺杂到活性炭(AC)中。且与AC相比，NDMC的比表面积没有明显降低。适量的NDMC(200-600mg/L)能够提高氢气产量，而过量的NDMC会抑制暗发酵产氢反应。在中温发酵体系中，NDMC(200-600mg/L)浓度为600mg/L时，氢气产率达到最高(260mL/g葡萄糖)，分别比空白组和AC组高46.9%和21.0%。在高温发酵条件下，当NDMC浓度为800mg/L时，氢气产率最高(192mL/g葡萄糖)，分别比空白组和AC组产率高59.9%和39.2%。丁酸浓度和HPB丰度随NDMC浓度的增加而增加。NDMC在中温体系中主要增加了优势菌C.butyricum的丰度(57.91%)。而在高温发酵过程中优势菌为Clostridium sensu stricto7(24.29%)、8(7.39%)和10(24.85%)。与高温发酵相比，中温发酵工艺的主要优点具备氢气产率高和成本低。
(3)将NiFe2O4NPs和NDMC作为外源添加剂应用于以乳酸为底物的厌氧消化系统中，以降低乳酸及其降解产物丙酸的抑制作用，提高甲烷产量。NiFe2O4NPs组和NDMC组最大产甲烷量分别为319.59和355.50mL/g乳酸，比空白组(261.98mL/g乳酸)提高了21.99%和35.70%，说明NDMC和NiFe2O4NPs均能加快产甲烷速率，并提高甲烷产量。而且NDMC的强化效果优于NiFe2O4NPs。空白组、NiFe2O4NPs组和NDMC组最大丙酸浓度分别是3331.82、3193.81和2864.68mg/L，说明NDMC能够促进丙酸转化为乙酸。NDMC组中产生丙酸的Proteiniphilum和降解丙酸的f_Anaerolineaceae_Unclassified的丰度高于其他两组，这可能与NDMC组乳酸和丙酸降解速率快相关。此外NDMC和NiFe2O4NPs还增加了Methanobacterium的丰度。
(1)采用溶胶-凝胶法制备了铁酸镍纳米粒子，将其应用到中温(37℃)和高温(55℃)暗发酵制氢系统中，通过对材料表征、氢气产量、水溶性代谢产物(SMPs)和微生物群落结构等主要指标的分析，探究了NiFe2O4NPs对暗发酵产氢性能的影响。结果表明：适量的NiFe2O4NPs(50-200mg/L)能促进氢气产生。当NiFe2O4NPs添加量为100(37℃)和200(55℃)mg/L时，氢气产率分别为222和130mL/g葡萄糖，比对照组(37℃和55℃)分别提高了38.6%和28.3%。在中温条件下，NiFe2O4NPs能将C.butyricum丰度从10.6%增加到15.0%，导致发酵途径向丁酸型代谢转变，并提高了底物利用率，从而进一步增加了H2产量。此外，在发酵过程中，NiFe2O4NPs会被产氢菌(HPB)腐蚀，并释放Fe和Ni离子，进而提高了氢化酶和HPB的活性。当NiFe2O4NPs进入细胞内时，耐受度高的厌氧菌仍能保持完整的细胞结构，NiFe2O4NPs可能增强此类厌氧菌的胞内电子传递能力。
(2)采用共沉淀法制备了镍掺杂磁性炭(NDMC)，并将其作为外源添加剂应用到中温(37℃)和高温(55℃)暗发酵系统中以增强产氢性能。结果表明：NiFe2O4和Ni(OH)2成功掺杂到活性炭(AC)中。且与AC相比，NDMC的比表面积没有明显降低。适量的NDMC(200-600mg/L)能够提高氢气产量，而过量的NDMC会抑制暗发酵产氢反应。在中温发酵体系中，NDMC(200-600mg/L)浓度为600mg/L时，氢气产率达到最高(260mL/g葡萄糖)，分别比空白组和AC组高46.9%和21.0%。在高温发酵条件下，当NDMC浓度为800mg/L时，氢气产率最高(192mL/g葡萄糖)，分别比空白组和AC组产率高59.9%和39.2%。丁酸浓度和HPB丰度随NDMC浓度的增加而增加。NDMC在中温体系中主要增加了优势菌C.butyricum的丰度(57.91%)。而在高温发酵过程中优势菌为Clostridium sensu stricto7(24.29%)、8(7.39%)和10(24.85%)。与高温发酵相比，中温发酵工艺的主要优点具备氢气产率高和成本低。
(3)将NiFe2O4NPs和NDMC作为外源添加剂应用于以乳酸为底物的厌氧消化系统中，以降低乳酸及其降解产物丙酸的抑制作用，提高甲烷产量。NiFe2O4NPs组和NDMC组最大产甲烷量分别为319.59和355.50mL/g乳酸，比空白组(261.98mL/g乳酸)提高了21.99%和35.70%，说明NDMC和NiFe2O4NPs均能加快产甲烷速率，并提高甲烷产量。而且NDMC的强化效果优于NiFe2O4NPs。空白组、NiFe2O4NPs组和NDMC组最大丙酸浓度分别是3331.82、3193.81和2864.68mg/L，说明NDMC能够促进丙酸转化为乙酸。NDMC组中产生丙酸的Proteiniphilum和降解丙酸的f_Anaerolineaceae_Unclassified的丰度高于其他两组，这可能与NDMC组乳酸和丙酸降解速率快相关。此外NDMC和NiFe2O4NPs还增加了Methanobacterium的丰度。