基于微生物群落演替的秸秆类生物质燃料自热机制及燃料特性变化研究

《Industrial Crops and Products》：Trait-led valorization of Northeastern Sub-Himalayan Indian turmeric landraces: Curcuminoids, essential oil, minerals, colour metrics, and antioxidant capacity for nutraceutical and industrial uses

本研究针对生物质燃料大规模储存过程中因微生物活动引发的自热和自燃风险，通过16S rRNA/ITS高通量测序技术分析了稻壳和小麦秸秆堆存过程中微生物群落演替规律，并结合FESEM、TG-DSC等技术揭示了微生物降解对生物质微观结构、化学成分及热值的显著影响。结果表明，小麦秸秆更易发生自热，为生物质电站燃料安全管理提供理论依据。

　　

随着全球能源转型的加速，生物质作为清洁可再生能源的重要性日益凸显。截至2024年底，中国生物质发电装机容量已达45990?MW，其中农林废弃物发电占比显著。然而，生物质燃料的大规模储存面临严峻挑战——在长期堆存过程中，微生物的生命活动可能导致堆体内部温度升高，甚至引发自燃事故，不仅造成燃料损失，还威胁电站安全运行。这一问题的核心在于生物质堆体内微生物群落动态变化与燃料化学组成的相互作用机制尚未被系统揭示。

为探究这一机制，华北电力大学新能源学院的研究团队在《Industrial Crops and Products》上发表论文，以稻壳和小麦秸秆为研究对象，通过多组学技术与材料表征手段相结合，首次从微观生态视角解析了生物质自热过程中的微生物演替规律及其对燃料特性的影响。研究团队模拟工业堆存条件（40°C、40%湿度），设置了0、1、3、7天四个时间点，系统分析了微生物群落结构、生物质组分变化及热力学特性。

关键技术方法包括：①16S rRNA/ITS高通量测序（Illumina NovaSeq 6000平台）分析细菌和真菌群落；②场发射扫描电镜（FESEM）观察微观结构变化；③范式分析法测定纤维素、半纤维素和木质素含量；④热重-差示扫描量热法（TG-DSC）评估热解特性；⑤氧弹量热仪测定热值。样本来源为北京中粮集团储备库的稻壳和河北石家庄田间小麦秸秆。

3.1 微生物物种分布与变化

通过相对丰度分析发现，细菌群落以放线菌门（Actinobacteriota）、变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）为主。随着堆存时间延长，稻壳中放线菌门比例从43.2%降至8.99%，而小麦秸秆中厚壁菌门从7.28%升至71.1%。真菌群落则以子囊菌门（Ascomycota）为主导（稻壳81.9–94.8%，小麦秸秆69.3–99.6%），担子菌门（Basidiomycota）次之。类水平上，Eurotiomycetes（散囊菌纲）在整个过程中保持高丰度。

3.2 Alpha多样性分析

稀释曲线表明测序数据量充足（Coverage>0.95）。细菌群落的Chao1和ACE指数随堆存时间呈先降后升趋势，而真菌群落的多样性指数（如Shannon指数）在稻壳第3天、小麦秸秆第1天达到峰值后下降。组间t检验显示不同样本群差异显著（p<0.05），说明堆存时间对微生物多样性影响显著。

3.3 生物质燃料特性变化分析

FESEM结果显示，堆存7天后，稻壳和小麦秸秆表面出现明显裂纹和孔洞，小麦秸秆纤维结构破坏更严重。组分分析表明，半纤维素降解最快（稻壳下降10%，小麦秸秆下降8%），纤维素次之（稻壳下降5%，小麦秸秆下降3%），木质素最稳定。TG-DSC曲线显示两个典型失重阶段：230–320°C对应半纤维素降解，400–480°C为纤维素和木质素重叠分解。热值测试发现，堆存7天后稻壳热值下降9.35%（从2523?cal/g至2287?cal/g），而小麦秸秆下降达22.35%（从3857?cal/g至2995?cal/g）。

本研究通过多维度实验证实，微生物活动通过降解生物质组分（尤其是半纤维素）引发微观结构破坏和热值损失，其中小麦秸秆因木质素含量较高但纤维素/半纤维素更易降解，表现出更强的自热倾向。该研究为生物质电站燃料储存风险管理提供了微生物生态学视角的理论支撑，对开发抑菌型储存工艺具有指导意义。