生物质发酵制氢烷气开发清洁燃料对于我国实现碳中和具有重要意义,发酵微生物群落内部电子流动和种间相互作用机制亟待阐明以设计高效的发酵产气过程。本文探究了产电细菌与产氢细菌互营代谢产氢系统的微生物电子传递途径,揭示了产电细菌与产甲烷古菌共培养体系的生物膜对添加导电碳毡及外加电压的响应机制,利用碳化金属有机骨架、磁铁矿纳米颗粒等导电材料强化微生物电子传递和互营代谢,显著促进了生物质厌氧发酵联产氢气和甲烷。揭示了产电细菌(金属还原地杆菌,Geobacter metallireducens)与产氢细菌互营代谢发酵产氢机理,阐明了产电细菌作为外部氧化还原平衡调节器对产氢菌群代谢路径、电子传递性能和微生物群落结构的影响规律。金属还原地杆菌培养物与产氢混合菌群的接种体积比为60 m L/30 m L(总挥发性固体TVS之比为0.08)时发酵产氢量达到327.1 m L/g,相比未接种金属还原地杆菌培养物的对照组提高了65.2%。产氢菌降解葡萄糖产生的乙酸等可溶性代谢产物被金属还原地杆菌氧化产生电子改善系统的氧化还原电位,NADH/NAD+比值从1.03提高到1.26,有利于强化NADH产氢途径(NADH++→++H2)。金属还原地杆菌胞外聚合物中存在的细胞色素c(c-Cyt)作为电子穿梭体/氧化还原介体提高了产氢菌的胞内电子传递系统(ETS)活性和胞外电子传递(EET)能力。添加金属还原地杆菌培养物使菌群中主要产氢菌Clostridium sensu stricto的相对丰度从61.5%增加到76.7%,两者形成良好的互营共生关系,从而显著提升系统发酵产氢性能。探明了产电细菌(Geobacter sulfurreducens,硫还原地杆菌)与产甲烷古菌(Methanosarcina barkeri,甲烷八叠球菌)共培养体系的生物膜在添加导电碳毡/外加电压时的电子传递响应机制。添加导电碳毡后的共培养体系甲烷产率从191.5 m L/g提高到358.1 m L/g;而将碳毡作为电极施加0.5 V电压后,甲烷产率仅能达到222.7 m L/g。SEM分析表明:硫还原地杆菌和甲烷八叠球菌共同在导电碳毡表面富集;而施加0.5 V电压的阳极碳毡上仅附着了硫还原地杆菌,该菌降解底物乙酸产生电子传递给阳极,阴极碳毡上仅附着了甲烷八叠球菌,该菌接受阴极产生的电子结合质子还原CO₂产甲烷。当施加的电压超过析氢电位后一部分质子在阴极直接结合电子生成氢气。电化学分析表明:附着了硫还原地杆菌的阳极碳毡电容比无菌碳毡提升了1.1倍;而附着了甲烷八叠球菌的阴极碳毡电容降低了19.8%;未施加电压时附着两种菌生物膜的碳毡电容提高了23.9%,这主要与碳毡附着的生物膜成分有关。三维荧光光谱及多糖成分测试表明:阳极碳毡生物膜中血红素类物质的含量最高,有利于提升电化学性能;而阴极碳毡生物膜中血红素类物质的含量低且多糖类物质含量高,不利于甲烷八叠球菌接受电子产甲烷;未施加电压时碳毡的生物膜血红素类物质含量介于二者之间,微生物接受电子产甲烷性能优于碳毡阴极,因此甲烷产率更高。提出将沸石咪唑酯骨架(ZIF-67)衍生多孔碳用作微生物高速电子传递通道,揭示了微生物多层胞外聚合物的荧光和电化学响应机制。添加100 mg/L在碳化温度800℃下制备的沸石咪唑酯骨架衍生多孔碳(PC-800)时,厌氧发酵获得的生物甲烷产量提高了28.2%达到614.0 m L/g。电化学分析表明:添加PC-800使产甲烷菌群的氧化还原峰值电流和电导率增加,自由电荷传递电阻降低。PC-800可充当非生物导电介体以促进种间直接电子传递,从而导致与导电菌毛(e-pili)和血红素蛋白相关的功能基因表达丰度降低。此外,PC-800刺激了产甲烷菌群产生更多的氧化还原活性腐殖质胞外聚合物。三维荧光光谱分析表明:紧密粘附的胞外聚合物(TB-EPS)中腐殖质的荧光响应百分比增加最大,这主要归因于多孔碳颗粒对TB-EPS中腐殖质成分的羟基/羧基/酚基官能团的强络合能力。微生物群落分析表明:添加PC-800后,互营/产电细菌以及氢营养/摄取电子的产甲烷菌得到富集,从而提升了发酵产甲烷能力。将导电磁铁矿纳米颗粒加入到分别接种了产气肠杆菌和产甲烷混合菌群的发酵联产氢气和甲烷系统中。添加200 mg/L磁铁矿纳米颗粒后,在产氢阶段中产气肠杆菌的NADH/NAD+比值、氢酶活性和电子传递系统活性均得到提高,有利于通过NADH途径产氢,氢气产量提高了21.1%。随后产甲烷阶段的甲烷产量提高了22.9%,电化学分析表明:加入磁铁矿纳米颗粒后,产甲烷混合菌群的胞外电子传递能力提高,这主要归功于磁铁矿纳米颗粒及其诱导微生物产生的具有电化学活性的胞外聚合物(类腐殖酸和类黄腐酸)。微生物群落分析表明:互营单胞菌和甲烷八叠球菌是磁铁矿纳米颗粒存在时富集起来的主要共生菌。参与CO₂还原产甲烷途径的功能基因表达丰度显著提高。故通过添加磁铁矿纳米颗粒改善了微生物的电子传递性能,建立了一个更高效的发酵联产氢气和甲烷系统。采用产电细菌与纳米磁铁矿杂化体系促进生物质厌氧发酵联产氢气和甲烷。产电地杆菌通过还原水铁矿得到生物磁铁矿纳米颗粒,细菌与磁铁矿纳米颗粒形成杂化体系。电化学分析表明:杂化体系的氧化还原峰值电流提高,面积电容从25.3提高到27.5 m F/cm2。该杂化体系应用于生物质原料(水花生为例)发酵联产氢气和甲烷系统中。九月份收获的水花生碳氮摩尔比(26.8)适宜,纤维素含量(20.3%)较高,灰分与挥发分的质量比(0.1)较低,适用于发酵产气。利用此水花生通过两阶段发酵联产氢气和甲烷,得到氢气产率48.4 m L/g VS,甲烷产率209.9 m L/g VS,总能量转化效率44.8%。当加入产电细菌与纳米磁铁矿杂化体系后,水花生发酵产气的能量转化效率提高到64.9%。