生物质燃料堆自热过程中微生物群落演化及其对燃料特性的影响研究

《Industrial Crops and Products》：Evolution of microbial communities in biomass stacks during the self-heating process and their influence on fuel properties

本研究针对生物质大规模储存中微生物活动引发的自热和安全隐患，通过16S rRNA/ITS高通量测序技术揭示了稻壳和小麦秸秆堆存过程中细菌和真菌群落的演替规律，并结合FESEM、组分分析、热值和TG-DSC等手段，系统阐明了微生物生命活动对生物质燃料微观结构和化学组成的降解机制。结果表明，小麦秸秆比稻壳更易发生自热和自燃，为生物质发电厂燃料安全储存提供了重要理论依据。

　　

随着全球能源转型的推进，生物质作为一种清洁可再生能源，其开发利用日益受到重视。然而，生物质原料的大规模储存却面临一个棘手难题——堆垛容易发生自热，甚至引发自燃，给生物质发电厂的安全生产带来严重威胁。与煤相比，生物质具有更高的挥发分和孔隙率，使其更易受到微生物攻击和氧化作用，但目前针对生物质大规模储存的安全技术尚不完善。那么，生物质堆垛内部究竟发生着怎样的变化？微生物在其中扮演了什么角色？它们又如何影响燃料本身的特性呢？

为了揭开这些谜团，一组研究人员在《Industrial Crops and Products》上发表了他们的最新研究成果。他们独辟蹊径，从微观的微生物生态视角切入，探究了生物质燃料堆在自热过程中微生物群落的动态演变规律，及其对燃料性质的深远影响。

研究人员选取了具有代表性的草本生物质——稻壳和小麦秸秆作为研究对象。他们设计了一套精巧的实验方案：首先，将样品在40°C、40%湿度的微生物培养箱中分别培养0、1、3和7天，模拟不同堆存时间。接着，利用16S rRNA和ITS高通量测序技术，深入剖析了细菌和真菌群落的组成和变化。同时，他们还运用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察微观结构损伤，通过范式分析测定纤维素、半纤维素和木质素三大组分的含量变化，并利用氧弹量热仪和热重-差示扫描量热法（TG-DSC）评估燃料热值和热解特性。

主要关键技术方法概述

本研究主要关键技术包括：16S rRNA/ITS高通量测序用于分析微生物群落；场发射扫描电子显微镜（FESEM）用于观察样品微观结构；范式分析用于测定纤维素、半纤维素和木质素含量；氧弹量热法测定发热量；热重-差示扫描量热法（TG-DSC）用于分析热解行为。稻壳样品取自中粮集团（北京）储备库，小麦秸秆样品采自河北省石家庄市田间。

3.1. 微生物物种分布和变化

研究结果显示，生物质堆存过程中的微生物群落发生了显著的演替。在细菌方面，无论是稻壳还是小麦秸秆，初始样品中的优势菌门主要是放线菌门（Actinobacteriota）、变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）。但随着堆存时间延长，Firmicutes及其所属的Bacilli纲的相对丰度显著上升，而Actinobacteriota和Proteobacteria则呈现下降趋势。在真菌方面，子囊菌门（Ascomycota）在整个过程中占据绝对优势，其相对丰度在稻壳和小麦秸秆中分别达到81.9%–94.8%和69.3%–99.6%。担子菌门（Basidiomycota）是第二丰富的真菌门。在纲水平上，散囊菌纲（Eurotiomycetes）丰度最高，粪壳菌纲（Sordariomycetes）和座囊菌纲（Dothideomycetes）等也参与了群落的演替过程。

3.2. Alpha多样性分析

Alpha多样性分析揭示了物种丰富度和均匀度的变化。对于细菌群落，稻壳和小麦秸秆的ACE和Chao1指数（反映物种丰富度）均随堆存时间呈现先下降后略升的趋势，表明物种丰富度先减少后在一定程度恢复。Simpson指数（反映优势度）和Shannon指数（反映多样性）的变化则显示，两种生物质的细菌群落最终表现出相似的多样性水平。对于真菌群落，其Alpha多样性指数则表现出先升高后降低的特点，稻壳的真菌多样性在堆存第3天达到峰值，而小麦秸秆则在第1天达到峰值。稀释曲线表明测序数据量充足，覆盖度（Coverage）指数均高于0.95，保证了数据的可靠性。

3.3. 生物质燃料特性变化分析

微生物活动对生物质燃料的物理和化学性质产生了深刻影响。FESEM观察发现，随着堆存时间延长，稻壳和小麦秸秆的表面从初始的光滑平整变得粗糙不平，出现大量裂隙和孔洞，小麦秸秆的纤维结构破坏尤为严重。组分分析表明，半纤维素是最易被微生物降解的组分，其在稻壳和小麦秸秆中的含量分别下降了约10%和8%。纤维素次之，而结构最复杂的木质素降解最慢。这种降解差异与不同降解微生物（如纤维素降解菌、半纤维素降解菌和木质素降解真菌）在不同堆存阶段的优势演替密切相关。

TG-DSC分析显示，生物质的热解过程主要分为两个阶段：230–320°C的半纤维素降解和400–480°C的纤维素与木质素重叠降解。随着堆存时间延长，残渣灰分增加，DSC曲线释放的热量略有减少。最关键的发现来自发热量测试：经过7天堆存，稻壳的总发热量（GCV）下降了9.35%，而小麦秸秆的GCV大幅下降了22.35%。这表明小麦秸秆的燃料品质在储存过程中劣化更严重，意味着其具有更高的自热和自燃风险。

结论与意义

该研究系统地揭示了生物质堆存过程中微生物群落的动态演替规律及其对燃料特性的降解机制。研究发现，微生物活动显著破坏了生物质的微观结构，并优先降解半纤维素和纤维素，导致燃料发热量下降，其中小麦秸秆的劣化程度远高于稻壳，表明其自燃风险更大。这项工作从微生物生态学的角度深化了对生物质自热机理的理解，为生物质发电厂优化燃料储存策略、预防火灾事故提供了重要的科学依据和理论支撑。未来，通过调控堆垛环境条件来抑制特定有害微生物的生长，或许将成为保障生物质安全储存的新方向。