从气溶胶类型的角度探讨气溶胶光学特性对夏季臭氧形成的影响：一项基于观测的建模研究

《Journal of Environmental Sciences》：Influence of aerosol optical properties on summer ozone formation from the perspective of aerosol type: An observation-based modeling investigation

本研究开发KOH改性玉米秸秆生物炭（K-CSB）用于高效吸附预水解液中的芳香族抑制剂，显著缩短乳酸发酵滞后期，提升产率至41.45 g L-1，并增强乳酸菌关键酶活性。摘要后添加分隔符：

　　本研究围绕一种新型材料——KOH改性玉米秸秆生物炭（K-CSB）在去除木质纤维素生物质预水解液中芳香抑制剂方面的应用展开。木质纤维素生物质作为地球上最丰富的可再生有机资源之一，其通过光合作用将太阳能转化为化学能，并储存以供未来使用。这一过程为人类提供了可持续的能源、化学品和材料来源。然而，木质纤维素的结构复杂，其组分紧密交织，导致其在水解和微生物发酵过程中表现出较强的抗性。因此，预处理是提高木质纤维素可消化性、释放更多可发酵糖分以供微生物利用的必要步骤。

在木质纤维素预处理过程中，会生成多种有毒物质，这些物质可能严重抑制后续的微生物发酵。其中，芳香化合物是预水解液中的主要抑制剂之一。本研究中，K-CSB被开发用于有针对性地去除这些芳香化合物以及其他抑制剂。通过实验分析，K-CSB表现出359.1 m2/g的比表面积，平均介孔直径为9.6 nm，且其表面含有较高含量的羰基基团。这些特性使得K-CSB在吸附芳香抑制剂方面具有较高的效率。

在去除抑制剂后，预水解液中检测到的22种芳香化合物中有9种被完全去除，整体芳香化合物去除率达到68.7%。同时，去除抑制剂显著缩短了乳酸发酵的滞后期，从48小时减少至0小时。这表明，K-CSB在去除抑制剂后，能够有效促进微生物的快速启动和代谢。经过36小时的发酵，乳酸产量达到41.45 g/L，产率为86.2%。在24小时时，达到最高的体积产率1.45 g/L/h。这表明，K-CSB在提升乳酸发酵效率方面具有显著优势。

此外，去除抑制剂后，反应性氧物种（ROS）的水平降低了37.3%，接近纯葡萄糖组的水平。这说明，K-CSB不仅能够有效去除芳香化合物，还能减轻这些化合物对细胞造成的氧化应激。同时，乳酸发酵中的关键酶活性，如NADH氧化酶（NOX）和乳酸脱氢酶（LDH），在K-CSB处理后得到了增强。这表明，K-CSB在改善微生物代谢方面具有积极影响。

芳香抑制剂作为多种抑制物中的关键结构成分，其存在会导致ROS水平升高以及细胞膜损伤。例如，当香草醛浓度超过0.5 g/L时，会抑制酵母细胞的生长。此外，p-香豆酸等芳香化合物能够破坏细菌细胞膜，并与细菌基因组DNA结合，从而抑制细胞功能，最终导致细胞死亡。因此，去除这些抑制剂对于提升乳酸发酵效率至关重要。

为了提高乳酸发酵的效率，许多研究致力于在发酵前去除抑制物。这些方法包括物理、物理化学和生物方法。其中，生物炭因其低成本和易操作性，被广泛应用于抑制物的吸附。例如，Klasson等人发现，当将2.5%（w/v）的生物炭加入发酵液中时，可以有效吸附糠醛和羟甲基糠醛（HMF）。这不仅降低了发酵液中的抑制物浓度，还显著缩短了乙醇发酵的滞后期。

与原始生物炭相比，碱性改性生物炭能够改善天然纤维的化学结构，增加比表面积，并增强羰基基团的数量，从而提高吸附能力。例如，Thongpat等人利用橡胶木作为原料，KOH作为活化剂，制备了KOH改性生物炭。实验结果表明，这种改性生物炭的比表面积显著提高，从初始的0.48 m2/g增加到1491.8 m2/g。同时，Mu等人通过茶渣的热解制备了NaOH改性生物炭，发现NaOH能够增强原始生物炭的芳香结构和功能基团。这些研究为KOH改性生物炭在去除芳香抑制剂方面的应用提供了理论基础。

近期研究表明，芳香抑制剂可以通过π-π相互作用与生物炭表面的羰基基团结合，从而提高吸附性能。此外，羰基基团中的氧原子具有孤对电子，能够与芳香化合物苯环上的氢原子形成氢键，进一步增强吸附效果。因此，碱性改性能够有效提高生物炭对芳香抑制剂的吸附能力，从而增强其在去除抑制剂方面的效率。

目前，大多数关于KOH改性生物炭的研究主要集中在水溶液中污染物的吸附，如染料、抗生素和重金属等，或者针对单一芳香化合物的去除。然而，KOH改性生物炭在复杂体系如木质纤维素预水解液中的应用仍具有巨大潜力，并需要进一步研究。此外，与预水解液发酵性和微生物性能的综合评估也值得进一步探索。

本研究中，KOH被用于改性玉米秸秆生物炭，以增强其在木质纤维素生物质预处理过程中对抑制物的吸附能力，尤其是芳香抑制物。同时，将这种改性生物炭与木质纤维素水解液发酵和代谢机制研究相结合。通过对生物炭的理化性质进行详细表征，并评估其在预水解液中去除抑制物的效率，进一步探讨K-CSB对乳酸发酵效率的提升作用。

在实验过程中，研究人员使用了多种化学试剂和细菌。其中，钾氢氧化物、硫酸、氢氧化钠和碳酸钙由Sinopharm Chemical Reagent Company（上海，中国）提供；MRS培养基、葡萄糖和酵母提取物由Sigma-Aldrich（上海，中国）提供。实验中使用的乳酸菌为Lactobacillus rhamnosus（ATCC-10863），其种子溶液在MRS培养基中激活，该培养基包含以下成分：10.0 g/L酪蛋白肽、5.0 g/L葡萄糖和5.0 g/L酵母提取物。这些试剂和细菌的选择为实验的顺利进行提供了基础保障。

在K-CSB的改性过程中，发生了一系列腐蚀反应，这些反应扩大了玉米秸秆生物炭（CSB）的比表面积（El-Hendawy, 2009）。实验结果显示，改性后的K-CSB产量为72.5%。这些反应不仅改变了生物炭的表面性质，还增强了其对芳香化合物的吸附能力。此外，K-CSB的元素组成如表1所示，其高碳含量为吸附过程提供了稳定的结构基础。

通过对K-CSB的理化性质进行详细表征，研究人员发现其比表面积和孔径分布对其吸附性能具有重要影响。K-CSB的比表面积达到359.1 m2/g，孔径分布主要为微孔和介孔，这有助于其对抑制物的吸附。同时，K-CSB的表面含有较高含量的羰基基团，这增强了其与芳香化合物之间的π-π相互作用和氢键形成能力，从而提高了吸附效率。

本研究的结论表明，K-CSB在去除预水解液中的芳香抑制剂方面表现出色。其高比表面积和适当的孔径分布使其能够有效吸附抑制物。同时，KOH改性增加了生物炭表面的羰基基团含量，从而增强了其对芳香化合物的吸附能力。实验结果表明，K-CSB在去除抑制物后，能够显著提升乳酸发酵效率，缩短发酵时间，并提高乳酸产量和产率。

此外，K-CSB的使用不仅改善了乳酸发酵的效率，还对微生物的生长和代谢产生了积极影响。去除芳香抑制物后，ROS水平显著降低，接近纯葡萄糖组的水平，这表明K-CSB在减轻氧化应激方面具有重要作用。同时，关键酶活性如NOX和LDH在K-CSB处理后得到了增强，这进一步说明其对乳酸发酵的促进作用。

综上所述，本研究通过开发K-CSB，探索了其在去除木质纤维素预水解液中芳香抑制剂方面的应用。实验结果表明，K-CSB在提升乳酸发酵效率方面具有显著优势，并且其理化性质对其吸附性能具有重要影响。同时，K-CSB在改善微生物代谢和生长方面也表现出积极效果。这些研究为生物炭在生物质预处理和发酵中的应用提供了理论基础和技术支持，有助于推动生物质资源的创新利用和工业规模乳酸生产的实现。