生物质燃料堆储微生物群落演替及其对自热特性影响机制研究

《Industrial Crops and Products》：Aqueous-phase fabrication of cellulose-mineral composites with enhanced Cd(II) adsorption and mechanistic insights

本研究针对生物质燃料大规模储存中微生物活动引发的自热和自燃风险，通过16S rRNA/ITS高通量测序技术系统分析了稻壳和小麦秸秆堆储过程中细菌和真菌群落的动态演替规律，结合FESEM、TG-DSC等技术揭示了微生物降解对生物质燃料微观结构和化学成分的影响机制，为生物质电站燃料安全储存提供了理论依据。

　　

随着全球能源转型进程加速，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45990兆瓦，年发电量2083亿千瓦时。然而，生物质燃料的大规模储存面临严峻挑战——微生物活动导致的堆体自热甚至自燃现象，不仅造成燃料热值损失和质量下降，更埋下严重安全隐患。

在这项发表于《Industrial Crops and Products》的研究中，华北电力大学新能源学院的研究团队独辟蹊径，从微生物生态学角度深入探究了草本生物质自热自燃的内在机制。与传统研究聚焦宏观热力学行为不同，该研究首次系统揭示了稻壳和小麦秸秆堆储过程中微生物群落的动态演替规律及其对燃料特性的影响。

研究团队采用多学科交叉的技术路线：通过16S rRNA/ITS高通量测序分析微生物群落结构；利用场发射扫描电子显微镜观察微观形貌变化；采用范式分析法测定三大组分含量；结合热重-差示扫描量热法和氧弹量热仪评估热化学特性。所有样品均按照ISO 18135:2017(E)标准采集，稻壳来自中储粮北京分公司固定堆场，小麦秸秆采自河北省石家庄市田间。

微生物物种分布与变化规律方面，研究显示细菌群落主要由放线菌门、变形菌门和厚壁菌门构成。随着堆储时间延长，两种样品中放线菌门的相对丰度均显著下降，而厚壁菌门比例上升。真菌群落则以子囊菌门和担子菌门为主，其中子囊菌门在稻壳和小麦秸秆中分别占81.9%-94.8%和69.3%-99.6%。通过稀释曲线分析证实测序数据量充足，结果可靠。

Alpha多样性分析结果表明，细菌群落的ACE和Chao1指数随堆储时间呈现先降后升趋势，Simpson指数显示稻壳样品多样性下降而小麦秸秆上升。真菌群落的alpha多样性指数则呈现先增后减变化，稻壳在第3天、小麦秸秆在第1天达到峰值。组间差异t检验p值均小于0.05，表明差异显著。

生物质燃料性质变化分析显示，FESEM观察发现随着堆储时间延长，两种生物质材料表面从初始的光滑平整逐渐变得粗糙不平，出现明显裂隙和孔洞。小麦秸秆的微观结构损伤程度远大于稻壳。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（分别下降5%和3%），木质素最稳定（分别下降3.6%和5.3%）。这种差异与微生物群落演替密切相关：细菌更易分解蛋白质和纤维素，在降解初期活跃；真菌则主导后期复杂组分如木质素的分解。

TG-DSC分析揭示了两个典型的质量损失和放热阶段：230-320℃对应半纤维素降解，400-480℃对应纤维素和木质素的重叠分解。随着堆储时间延长，灰分残留质量增加，DSC曲线放热量轻微下降。热值测试结果显示，稻壳热值从2523 cal/g降至2287 cal/g（总降幅9.35%），小麦秸秆从3857 cal/g降至2995 cal/g（总降幅22.35%）。值得注意的是，小麦秸秆的热值下降速率更稳定且显著高于稻壳，这与两者化学成分差异直接相关：木质素含量较高的小麦秸秆热值下降更为平缓，而纤维素和半纤维素含量较高的稻壳热值下降呈现先快后慢的特征。

本研究通过多维度分析证实，生物质堆储过程中的微生物群落演替与燃料特性变化存在显著关联。稻壳和小麦秸秆的不同组分构成导致其微生物降解路径和速率存在差异，进而影响其自热倾向性。研究结果不仅为理解生物质自热机制提供了新的微生物学视角，更为生物质电站燃料安全管理提供了重要理论依据。特别是明确了小麦秸秆比稻壳具有更高的自热风险，这一发现对指导不同生物质材料的储存策略具有重要实践价值。该研究建立的微生物群落-燃料特性关联分析方法，为未来开发生物质储存风险预警系统和优化储存工艺奠定了坚实基础。