“Chem. Eng. J∣氮掺杂碳量子点增强厌氧消化：性能与潜在机制”
文献信息：
作者：Qiang Liu, Shuo Chen, Haoyu Zhang, Lu Feng, Hongjun Zhou, Junting Pan, Yeqing Li, Chunming Xu
接收时间：27 September 2023
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146359
Chemical Engineering Journal 影响因子：15.1
背景介绍
厌氧消化（AD）处理有机废弃物（OW）符合可持续发展的理念。但AD面临着转化率低的问题。在这项工作中，首次构建了使用可见光（LED灯）作为光源的光-AD系统，并探索了氮掺杂碳量子点（NCQD）在该系统中的性能和机制。
结果表明，0.5 g/L的NCQD在光-AD系统中促进了累积甲烷产量的23.1%增加。微生物分析结果显示，在含NCQD的光-AD中，优势菌株为甲烷杆菌目（Methanosarciniales），其丰度为69.0%。微生物活性和结构完整性测试表明，微生物未受自由基损伤。此外，NCQD增加了CV曲线的氧化还原峰强度，并提高了光-AD的光电流强度。此外，它促进了ATP浓度的18.2%（0.26 ± 0.03 μmol/mL）。光电化学分析和功能基因定量分析结果表明，NCQD主要通过提供光电子来促进甲烷生成。这种促进机制增加了光-AD中EchA的拷贝数（61,652.8 g−1），而不是与细胞色素相关的Vht和Hdr。这项工作为增强AD提供了新策略，并阐明了潜在的机制。
图文解读
图1. 光-AD实验装置
(a) 改进的BMP系统，包括 (b) 暗发酵单元和 (c) 光发酵单元。
(d) 暗发酵反应器和 (e) 光发酵反应器的示意图。
图2. NCQD的特性
(a) - (b) NCQD的透射电子显微镜(TEM)图像。
(c) NCQD的粒径分布。
(d) - (e) NCQD的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像。
(f) NCQD的原子力显微镜(AFM)图像。
高分辨率的 (g) C 1s，(h) N 1s，(i) O 1s 峰和NCQD的拟合曲线。
(a) NCQD的紫外-可见漫反射光谱。
(b) NCQD在光开/关周期（60/60秒）下的电流-时间(I-t)曲线。
(c) NCQD的Mott-Schottky图。
(d) NCQD的电化学阻抗谱(EIS)。
(a) 不同生物反应器中累积甲烷(CH4)产量。
(b) 不同生物反应器中每日甲烷(CH4)产量。
(c) 批式BMP实验结束时累积甲烷(CH4)产量。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001。
图5. 微生物的种类、比例和整体活性
(a) 门(class)级别上的细菌群落结构。
(b) 目(order)级别上的古菌群落结构。
(c) 在光照10分钟时，用DMPO捕获的·OH的电子自旋共振(ESR)谱图。
(d) 暗AD中絮体的共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像(R)。
(e) 光-AD中絮体的CLSM图像(
)。核酸在用SYTO 9染色后显示绿色荧光。
图6. NCQD对光-AD系统中甲烷生成的影响
(a) 不同系统的循环伏安(CV)曲线。
(b) 不同系统的底物阻抗。
(c) 光照对不同系统中电流的影响。
(d) 不同系统中的ATP浓度。
(e) 不同系统中的DNA浓度。
(f) 不同系统中功能基因的平均拷贝数。
(g) NCQD在光-AD系统中促进甲烷生成的示意图。
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