巨菌草与油棕叶生物制氢中试研究：SSF与pre-HF工艺比较及痕量金属对微生物组和酶谱的影响机制

本研究针对木质纤维素生物质制氢效率低下的问题，通过比较同步糖化发酵(SSF)与预水解发酵(pre-HF)工艺，探究巨菌草(NG)与油棕叶(OPF)共消化体系。研究发现pre-HF工艺在1:1配比下产氢量达119 mL-H2/g-VS，添加Ni/Mo/Co/Se等痕量金属后提升67%。中试规模(100 L-CSTR)验证获得50.1 mL-H2/g-VS的产率，关键菌群(Lactococcus sp.等)丰度显著提升，经济产率提高16.6%，为生物质能源化提供了重要技术路径。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，生物制氢技术因其环境友好特性备受关注。然而木质纤维素原料复杂的结构特性导致转化效率低下，传统工艺面临水解不彻底、微生物活性受限等瓶颈。尤其热带地区丰富的巨菌草(Napier grass, NG)和油棕叶(oil palm frond, OPF)等农业废弃物，虽具有巨大能源潜力，但存在碳氮比失衡、关键金属元素缺乏等问题。如何通过工艺优化和营养调控提升产氢效率，成为可再生能源领域亟待解决的科学问题。

针对这一挑战，泰国孔敬大学联合国家研究委员会的研究团队在《Carbon Resources Conversion》发表了创新性研究成果。研究系统比较了同步糖化发酵(SSF)和预水解发酵(pre-HF)两种工艺路线，首次揭示了痕量金属补充对NG-OPF共消化体系微生物组和代谢通路的调控机制。通过100升级中试验证，实现了产氢效率与经济性的双重突破，为生物质能源规模化开发提供了关键技术支撑。

研究采用多尺度技术路线：通过批次实验比较SSF与pre-HF工艺在不同原料配比(2.5:7.5至7.5:2.5 g-VS/L)下的产氢性能；利用响应面法(RSM)优化Ni、Mo、Co、Se四种痕量金属的添加浓度；基于一级动力学模型计算水力停留时间(HRT)，在100 L连续搅拌反应器(CSTR)中开展半连续试验；结合宏基因组学分析微生物群落结构和碳水化合物活性酶(CAZymes)变化；最后通过培养基经济分析评估工艺可行性。

工艺比较研究发现，pre-HF工艺在NG:OPF=5:5 g-VS/L时展现显著优势，产氢量达993±64 mL-H₂/L，较SSF工艺(370±21 mL-H₂/L)提高168%。代谢产物分析显示，pre-HF过程主要积累丁酸(2.40±0.09 g/L)，而SSF以乙酸(2.97±0.16 g/L)为主，表明pH差异导致代谢途径分化。扫描电镜证实OPF致密结构是限制因素，而NG的疏松特性更利于微生物附着。

痕量金属优化实验通过中心复合设计(CCD)确定最佳添加量：Ni 10 mg/L、Mo 0.5 mg/L、Co 1.5 mg/L、Se 0.5 mg/L，使产氢量提升至91.4 mL-H₂/g-VS。宏基因组分析显示，金属补充使Lactococcus sp.、Bacteroides sp.等氢产生菌丰度增加2-3倍，关键酶6-磷酸果糖激酶活性显著增强，推动糖酵解途径中丙酮酸生成。

中试规模验证表明，3天HRT配合金属添加使产氢率达93.0±3.6 mL/L·d，较空白提升72%。经济分析显示，虽然预水解阶段培养基成本占比较大，但痕量金属仅增加0.25%成本却带来16.6%的产氢提升，经济产率(EY)达0.035 USD-H₂/USD-medium。

该研究创新性地构建了"工艺优化-营养调控-微生物响应"三位一体的生物制氢强化策略。实践层面，pre-HF工艺的分离设计解决了水解与发酵的底物竞争问题；理论层面，首次阐明热带草本与棕榈废弃物共消化体系中金属酶辅因子的协同机制。研究提出的"金属元素-功能菌群-关键酶活"调控模型，不仅适用于生物制氢，也为其他木质纤维素生物炼制工艺提供了重要参考。未来通过开发廉价氮源替代品、优化金属配比，有望进一步降低生产成本，推动农业废弃物能源化技术的工业化应用。