螯合剂介导Fenton后处理：微生物群落调控解锁木质纤维素残留物甲烷产量新策略

为解决厌氧消化(AD)中木质纤维素残留物转化不完全导致生物甲烷产量低的瓶颈问题，研究人员创新性地开发了螯合剂介导Fenton(CMF)后处理技术。通过系统优化pH、Fe2+-DHB浓度和H2O2剂量，实现了高达十倍的甲烷产量提升，并富集了纤维素分解微生物群落。该研究为提升生物能源效率和废弃物资源化提供了高效策略，推动可持续能源发展。

　　

在追求可持续能源的道路上，厌氧消化(anaerobic digestion, AD)技术因其能将有机废弃物转化为生物甲烷而备受瞩目。生物甲烷作为一种高纯度燃料，可直接用于天然气基础设施或精炼成航空燃料，是低碳能源转型的关键一环。然而，现实却面临严峻挑战：农业废弃物如牲畜粪便中富含的木质纤维素成分，尤其是顽固的木质素(lignin)，难以被微生物降解，导致AD过程中高达55%的碳残留于消化残留物(digestate)中。这不仅浪费了宝贵的能源潜力，还增加了废弃物处理负担。传统预处理方法如碱或氧化处理虽能部分改善这一问题，但存在非选择性破坏、产生抑制性化合物等问题，反噬了AD效率。那么，如何在不损害现有消化过程的前提下，高效解锁这些“沉睡”的碳资源？这一问题激发了研究人员的探索。

美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的研究团队独辟蹊径，提出了螯合剂介导Fenton(Chelator-Mediated Fenton, CMF)后处理新策略。不同于常规预处理，CMF后处理直接针对AD残留物施以温和氧化，通过螯合剂(如二羟基苯, DHB)稳定铁离子，在宽pH范围内生成高活性羟基自由基(hydroxyl radicals, ·OH)，精准破解木质纤维素结构。这项研究发表于《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》，其核心在于系统优化反应参数并解析微生物响应机制，为生物能源系统的高效化开辟了新路径。

为验证CMF后处理的效力，研究人员聚焦几个关键技术方法。首先，CMF反应在50°C下进行，通过调控pH(4-8)、Fe²⁺-DHB浓度(5-15 mM)和H₂O₂剂量(1-4 wt.%)，结合溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)分析和元素测定，评估碳回收率。其次，生物甲烷潜力(biomethane potential, BMP)测试采用自动化气体测量系统(Gas Endeavour III)，在54°C热条件下进行21天厌氧消化，以接种物(源自牛粪消化残留物)与底物1:1比例运作。最后，16S rRNA基因测序解析微生物群落动态，使用DADA2流程和Phyloseq包分析相对丰度变化，揭示功能微生物的富集机制。

Chelator-mediated Fenton treatment of solid digestate(SD)

CMF后处理以固体消化残留物(SD)为主底物，SD源自丹麦商业AD设施，含21.0 wt.%木质素、13.9 wt.%木聚糖(xylan)和30.4 wt.%葡聚糖(glucan)。通过添加Fe²⁺-DHB螯合物和H₂O₂，反应在50°C下引发羟基自由基生成，导致SD溶解度提升192%，不溶性组分减少39%。这证实CMF有效解构了木质纤维素基质，为后续微生物降解奠定基础。参数优化显示，pH 6-8、低Fe²⁺-DHB浓度(5 mM)和高H₂O₂剂量(3-4 wt.%)最利于增强底物可及性。

Impact of CMF treatment conditions on lignocellulose composition

反应参数对木质素脱除(delignification)影响显著