剑麻废弃物高效产沼气：可持续能源新路径与生物精炼整合策略

《Biomass and Bioenergy》：Transforming Agave sisalana waste into high-yield biogas: An approach to sustainable energy

本研究针对巴西剑麻纤维加工产生的大量有机废弃物（96%叶片成为废料）造成的环境问题，开展了利用剑麻浆(SP)和剑麻汁(SJ)进行厌氧消化(AD)产甲烷(CH4)的研究。结果表明，SJ和SP的甲烷潜力分别高达476 NmL CH4 gVS-1和331.10 NmL CH4 gVS-1，并揭示了以Halobacteriota为主的产甲烷古菌群落。能量回收分析显示，将SJ用于AD产沼气，同时将干SP用于热解产生物炭和热解气的集成生物精炼方案(Scenario 2)，每吨生物质可获得1951 MJ能量，远超直接AD方案(1034 MJ)，为剑麻产业的可持续发展和半干旱地区可再生能源供应提供了高效循环经济模型。

　　

在全球追求碳中和的背景下，寻找可持续的可再生能源已成为当务之急。农业废弃物的资源化利用是其中一条重要路径。巴西作为全球最大的剑麻纤维生产国，其纤维提取过程却伴随着巨大的资源浪费和环境挑战——每生产1吨珍贵的剑麻纤维，就会产生约24吨的有机残留物（剑麻浆和剑麻汁），这些残留物通常被随意丢弃在田间或仅用作动物饲料，不仅未能物尽其用，还可能因厌氧分解产生甲烷而加剧温室效应，或因有机质渗滤污染水体。如何将这本是“负担”的废弃物转化为“宝藏”，驱动着研究人员探索其能源化利用的潜力。于是，一项聚焦于将剑麻（Agave sisalana）加工废弃物转化为高产量沼气的研究应运而生，相关成果发表在《Biomass and Bioenergy》期刊上。

为了评估剑麻废弃物作为沼气生产原料的可行性并探索最优的能源回收路径，研究人员开展了一系列精细的实验。本研究主要采用了以下几种关键技术方法：首先，通过批次厌氧消化实验，在严格控制的 mesophilic conditions (35 °C) 下测定剑麻汁(SJ)和剑麻浆(SP)的甲烷(CH₄)产气潜力(BMP)，并利用动力学模型（修正的Boltzmann模型和Gompertz模型）进行拟合分析。其次，对原料（SJ, SP）和接种物进行了详尽的物理化学表征，包括总固体(TS)、挥发性固体(VS)、化学需氧量(COD)、总有机碳(TOC)、总氮(TN)、挥发性脂肪酸(VFA)、有机酸、糖分以及宏量和微量元素含量。第三，运用宏分类学(Metataxonomics)方法，通过16S rRNA基因扩增子测序（针对V3-V4区域），深入分析了消化结束后微生物群落的组成和多样性（Alpha和Beta多样性）。最后，基于实验获得的甲烷产率数据，进行了能源分析，比较了两种不同的能源回收情景：情景1是直接将原始剑麻浆(SP)进行厌氧消化；情景2则是先将SP分离为SJ和干SP，SJ用于厌氧消化产沼气，干SP则进行热解(Pyrolysis)生产生物炭(Biochar)和热解气，并计算了在热电联产(CHP)系统下的电能和热能产出。

3.1. 残留物和接种物的特性

研究人员首先对剑麻汁(SJ)和剑麻浆(SP)进行了全面“体检”。发现SJ的化学需氧量(COD)高达80.33 g O₂ L^-1，表明其含有大量可被微生物利用转化为沼气的有机物质，其价值甚至超过巴西常用的沼气原料——甘蔗乙醇生产的副产物酒糟(Vinasse)。SJ富含柠檬酸(56.09 g L^-1)、甲酸(76.81 g L^-1)等有机酸以及葡萄糖(16.19 g L^-1)等糖分，这些都是厌氧消化中理想的“食物”来源。特别值得注意的是，SJ中还含有10.93 g L^-1的甲醇，而后续的微生物分析也确实发现了能够利用甲醇产甲烷的菌群。然而，SJ的碳氮比(C/N)为48，高于厌氧消化最佳范围(20-35)，且缺乏镁(Mg)等关键微量元素，因此在实验前添加了营养液进行平衡。SP则富含铝(Al)、钙(Ca)、铁(Fe)等元素，其中铁(Fe)含量高达11,828.40 mg kg^-1，虽然铁是许多酶促反应的辅助因子，但过高浓度可能存在抑制风险。同样，SP的初始C/N比高达276，也需要营养补充。这些分析为理解后续的产气性能和微生物活动奠定了基础。

3.2. 利用SJ和SP生产CH₄

实验结果显示，剑麻汁(SJ)表现出卓越的产甲烷潜力，达到476.00 NmL CH₄ gVS^-1，而剑麻浆(SP)的产气潜力为331.10 NmL CH₄ gVS^-1。尽管SJ的数值更高，但统计学分析表明两者无显著差异。更重要的是，SJ的消化过程没有表现出滞后期(Lag Phase)，意味着微生物能够迅速启动产气过程，这在工程应用上意味着更快的能量回收速度。相比之下，一些研究中对剑麻属植物或其他具景天酸代谢(CAM)机制的植物残留物进行厌氧消化，其甲烷产率多在280-380 NmL CH₄ gVS^-1之间，且可能存在长达18天的滞后期。本研究中SJ的优异表现，部分归功于营养液的添加，弥补了其先天营养不足。动力学模型拟合表明，修正的Boltzmann模型能更好地描述产气过程，SJ的最大产甲烷速率(r_m)也高于SP，进一步证实了液态基质在传质和微生物接触方面的优势。消化结束后，SJ中的糖分已被完全消耗，而SP中仍有少量葡萄糖残留，反映了固体基质降解的缓慢性。多种有机酸的存在提示了复杂的酸化过程，可能包括通过琥珀酸脱羧生成丙酸等途径。

3.3. 剑麻厌氧消化的宏分类学谱

是谁在“消化”这些剑麻废弃物并生产沼气？宏分类学分析揭开了微生物群落的神秘面纱。无论是处理SJ还是SP，细菌群落的优势类群都包括Anaerolineae, Synergistia, Clostridia, Bacteroidia等。在SJ消化中，Clostridia（梭菌纲）相对丰度最高(15.94%)，这类细菌以其强大的糖类和有机酸降解能力著称，能够通过Wood-Ljungdahl pathway (WLP)等途径进行发酵产酸，甚至能进行互营乙酸氧化，与产甲烷古菌协同工作。在SP消化中，Anaerolineae（厌氧绳菌纲）最为丰富(11.35%)，它们被认为具有降解纤维素等复杂碳水化合物的潜力，而SP中高含量的铁(Fe)可能恰好促进了这类微生物的活性。值得注意的是，在SP消化中，Aminicenantia（拟厌氧绳菌纲）的丰度有所上升，这类未被纯培养的细菌据信擅长降解复杂有机物。在所有样本中，占主导地位的产甲烷古菌均属于Halobacteriota门（旧称Methanomicrobiaota等），该门包含了能够通过乙酸营养型、氢营养型和甲基营养型等多种途径产甲烷的属，如Methanosarcina（甲烷八叠球菌属）和Methanothrix（甲烷丝菌属）。底物中高浓度的钾(K)可能也是Halobacteriota富集的原因之一。这种包含多种水解、酸化、互营和产甲烷功能类群的微生物联盟，共同促成了剑麻废弃物高效稳定的甲烷转化。

3.4. 微生物群落的Alpha和Beta多样性

尽管不同处理条件下的微生物群落在高级分类水平（如纲级）上看起来相似，但更精细的Beta多样性分析（基于非加权Unifrac距离的主坐标分析PCoA）显示，接种物、阴性对照、SJ消化和SP消化的微生物群落形成了明显独立的聚类。这意味着剑麻汁和剑麻浆这两种不同的底物，对微生物群落施加了特定的“选择压力”，塑造了在系统发育上存在差异的、专门化于各自底物特性的微生物群体。这种群落的差异性可能体现在较低的分类等级或丰度较低的物种上。然而，Alpha多样性分析（如Shannon指数）表明，各组样本内部的物种丰富度和均匀度没有显著差异，说明底物主要影响的是“谁在那里”，而不是“有多少种在那里”。

3.5. 能源生物精炼潜力分析

研究的最终目的是评估其应用价值。研究人员设计了两种能源回收情景进行对比：情景1是直接将混合的原始剑麻浆(SP)进行厌氧消化产沼气；情景2是先将SP分离出SJ和干SP，SJ用于厌氧消化，而干SP则进行热解，生产生物炭和热解气。能量核算结果表明，情景1每吨剑麻叶片可回收1034 MJ的总能量。而情景2的集成方案展现了巨大优势，总能量回收高达1951 MJ，几乎翻倍。更重要的是，情景2形成了一个自给自足且有多重产出的生物精炼模式：热解气燃烧发电可以满足整个纤维提取和残留物增值过程所需的全部电力，并有83.3%的电力盈余；厌氧消化产生的沼气经净化后可用于工艺供热；同时还能获得高价值的生物炭，可用于改良半干旱地区的土壤。相比之下，直接处理固体SP（情景1）虽然能量产出尚可，但可能面临固体负荷、预处理能耗以及反应器运行稳定性等工程挑战。

本研究证实了剑麻汁(SJ)和剑麻浆(SP)作为厌氧消化原料生产沼气的巨大潜力，其中SJ因其更高的甲烷产率、无滞后期以及液态基质易于处理的优势而更具吸引力。研究深入揭示了驱动这一过程的特定微生物功能类群，如负责水解发酵的Clostridia和Bacteroidia，负责互营氧化的Synergistia，以及以多种途径产甲烷的Halobacteriota古菌，这些发现为优化工艺参数提供了微生物学依据。最具应用价值的是，研究提出了一个创新的集成生物精炼方案：将剑麻汁用于厌氧消化产沼气，同时将分离出的干剑麻浆用于热解产热解气和生物炭。该方案不仅能将每吨生物质的能量回收最大化（1951 MJ），实现了能源的自给自足和盈余，还生产了具有土壤改良潜力的生物炭，完美契合了剑麻种植区（多为半干旱地区）对水资源高效利用和土壤保护的迫切需求。这项研究为将剑麻纤维产业的线性废弃物处理模式转变为高值化、可持续的循环经济模式提供了坚实的数据支撑和可行的技术路线图，对于推动农业废弃物资源化、增加可再生能源供应以及促进半干旱地区可持续发展均具有重要意义。