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研究作者及机构
本研究由Edwin G. Hoyos、Mihai L. Lomanar、Saúl Blanco、Raquel Lebrero和Raúl Muñoz共同完成。研究团队分别来自西班牙巴利亚多利德大学的可持续过程研究所（Institute of Sustainable Processes）和化学与环境工程系，以及莱昂大学的生物多样性与环境管理系和研究所。该研究于2025年发表在《Bioresource Technology》期刊上。
学术背景
研究的主要科学领域是生物质能源与环境工程，具体聚焦于光合作用生物气提纯（photosynthetic biogas purification）技术。随着欧洲到2050年实现气候中和目标的推进，生物气和生物甲烷在减少化石燃料依赖方面扮演了重要角色。然而，传统的物理化学提纯技术成本高且环境影响大。光合作用生物气提纯作为一种低成本、低环境影响的替代技术，近年来受到广泛关注。本研究旨在通过过程曝气和纳米颗粒补充（nanoparticle supplementation）来优化光合作用生物气提纯的效率，并首次评估了碳包覆铁纳米颗粒（carbon-coated iron nanoparticles）在悬浮和固体形式下对系统性能的影响。
研究流程
研究分为多个阶段，具体流程如下：
实验系统搭建
实验系统包括一个封闭式管状光生物反应器（tubular photobioreactor, TPBR）和一个通过混合室连接的生物气吸收柱（biogas absorption column）。TPBR由12根透明亚克力管组成，总容积为45.6升，光生物反应器的表面积为2.2平方米。系统通过高强度LED灯提供光照，光合有效辐射（PAR）为1800 ± 50 µmol m⁻² s⁻¹。生物气吸收柱的容积为3升，通过金属扩散器将合成生物气注入柱底。
接种与培养基准备
接种物来自巴利亚多利德大学的180升室内高速率藻池（high rate algal pond, HRAP），主要检测到的微藻为小球藻（Chlorella vulgaris）。培养基模拟了消化液（digestate）的组成，并补充了不同浓度的硫酸铵。
纳米颗粒添加
研究使用了碳包覆零价铁纳米颗粒（carbon-coated zero valent iron nanoparticles），分别以悬浮液（suspension, SNPs）和固体形式（solid, DNPs）添加到系统中。悬浮液由Calpech公司提供，浓度为2%，固体纳米颗粒通过悬浮液的热干燥获得。
操作条件
实验在室内进行，持续5个月，环境温度保持在23.7 ± 1.0°C。合成生物气由65% CH₄、34.94% CO₂和600 ppmv H₂S组成，模拟了污水处理厂产生的原始生物气。实验分为多个阶段，分别测试了不同硫酸铵浓度、纳米颗粒添加和曝气条件对系统性能的影响。
监测与分析方法
每日监测培养液的温度、pH、溶解氧（DO）浓度和微藻的光合活性（通过最大光化学产量Fv/Fm）。每周记录一次PAR，并通过气相色谱仪分析生物气和生物甲烷的组成。培养液中的总有机碳（TOC）、无机碳（IC）、总氮（TN）、总悬浮固体（TSS）等参数每周测定两次。
主要结果
1. 氨浓度对微藻生长的影响
当进水中的氨浓度超过500 mg N/L时，微藻生长受到抑制。曝气（0.5 L/min）成功恢复了纳米颗粒引起的微藻抑制，并使生物甲烷质量达到UNE-EN 16723标准（CH₄ > 90%，CO₂ < 2%）。
纳米颗粒形式对CO₂去除效率的影响
悬浮纳米颗粒在CO₂去除效率上优于固体纳米颗粒（77% vs. 49%）。然而，悬浮纳米颗粒的添加导致微藻光合活性显著下降，可能是由于悬浮液的颜色影响了光穿透。
曝气对系统性能的恢复
在悬浮纳米颗粒添加后，培养液的DO浓度降至0.1 mg O₂/L，导致微藻完全抑制。通过曝气，DO浓度恢复至9.2 mg O₂/L，微藻活性显著恢复，生物甲烷质量大幅提升。
微藻种群结构变化
实验过程中，微藻种群从以小球藻为主转变为以Chlorella homosphaera为主。这种变化可能与培养液的pH和IC浓度变化有关。
结论
研究表明，氨浓度过高或悬浮纳米颗粒的突然添加会导致微藻抑制，但通过曝气可以有效恢复系统性能。悬浮纳米颗粒在CO₂去除效率上优于固体纳米颗粒，但需要优化其添加剂量和培养液中的生物质浓度，以进一步提高生物甲烷质量。该研究为光合作用生物气提纯技术的工业应用提供了重要参考。
研究亮点
1. 首次评估了碳包覆铁纳米颗粒在悬浮和固体形式下对光合作用生物气提纯性能的影响。
2. 通过曝气成功恢复了纳米颗粒引起的微藻抑制，证明了曝气在系统性能恢复中的关键作用。
3. 悬浮纳米颗粒在CO₂去除效率上显著优于固体纳米颗粒，为未来优化纳米颗粒应用提供了方向。
其他有价值的内容
研究还发现，培养液中的无机碳和磷酸盐浓度对微藻生长和生物气提纯效率有显著影响。未来研究可以进一步优化这些参数，以提高系统的整体性能。
以上是本研究的主要内容和学术价值总结。