玉米果部组织源生物炭特性解析及其对污泥厌氧消化产甲烷的协同促进机制

本研究系统探讨了玉米不同解剖部位（苞叶、花丝和穗轴）制备的生物炭对废弃活性污泥（WAS）厌氧消化（AD）过程的调控作用。结果表明穗轴生物炭（CCBC）凭借其优越的微孔结构、无机元素含量和高导电性，显著促进微生物间直接电子传递（DIET），使甲烷产率提升42.9%（达178.31 mL/g VSS），为农业废弃物定向资源化与沼气增效回收提供了新策略。

　　

Highlight

废弃活性污泥（WAS）的厌氧消化（AD）虽是可再生能源回收的重要途径，却常受限于缓慢的水解速率、顽固的胞外聚合物（EPS）以及微生物间低效的电子传递过程。本研究创新性地从玉米果部三种组织（苞叶CHBC、花丝CSBC、穗轴CCBC）制备生物炭，发现CCBC凭借其最高的比表面积（详细数据参见附表）、丰富微孔结构和无机元素，显著提升了导电性与微生物附着能力。在AD体系中，CCBC通过促进直接种间电子传递（DIET），加速 syntrophic 微生物代谢互作，最终使甲烷产率提升42.9%，彰显了植物组织特异性对生物炭功能调控的关键作用。

Structural characteristics of biochar

附表S2展示了三种生物炭的结构特性参数，包括pH、比表面积、灰分含量和元素组成。其中CCBC表现出最高的灰分含量（与pH正相关）和导电性，其微孔容积显著高于CHBC与CSBC。元素分析显示CCBC富含K、Ca等导电性金属元素，为后续解释其促进DIET的能力提供了物化基础。

Conclusion

本研究通过对比玉米苞叶、花丝和穗轴制备的生物炭在AD中的作用，明确穗轴生物炭（CCBC）具有最显著的甲烷增产效果（178.31 mL/g VSS，较对照组提升42.9%）。其优越性能源于更发达的微孔结构、高灰分含量和导电性，这些特性共同促进了微生物吸附与电子传递效率。该研究为基于植物解剖结构的生物炭定向制备与污泥资源化提供了理论依据和技术方向。