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挑战导电材料范式：砂在厌氧消化中提升甲烷产量的意外作用
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年08月24日 来源：Bioresource Technology 9
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推荐：为解决厌氧消化(AD)中甲烷产量(MP)低效问题，研究人员探索了非导电材料砂的增效作用。通过对比砂与活性炭(AC)、纳米零价铁(nZVI)对复杂底物及纯培养产甲烷菌的影响，发现砂显著提升甲烷产率(MPR)达16.8%，尤其在污泥降解中表现突出。该研究为低成本、环境友好的AD增效策略提供了新思路。
在追求可持续能源的背景下，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(CH4)而备受关注。然而，传统AD过程受限于低效的电子传递机制（如依赖氢/甲酸盐的种间转移IHT/IFT）和缓慢的底物降解速率，导致甲烷产量(Methane Production, MP)低下。近年来，导电材料(Conductive Materials, CM)如活性炭(Activated Carbon, AC)和纳米零价铁(nZVI)被广泛研究，但其高成本和复杂作用机制限制了应用。更令人意外的是，一些非导电材料如沸石(Zeo)和玻璃珠也显示出促进甲烷生成的潜力，这挑战了"导电性决定增效效果"的传统认知。
为探索更经济高效的AD增效策略，Nicolás Hoffmann等人在《Bioresource Technology》发表研究，首次系统评估了砂（非CM）在AD中的作用。研究人员采用生物甲烷潜力测试(BMP)比较砂与AC、nZVI对六种底物（污泥、淀粉、葡萄糖等）降解的影响，并利用纯培养的氢营养型产甲烷菌(Methanobacterium formicicum)和乙酸裂解型产甲烷菌(Methanothrix harundinacea)揭示材料与微生物的互作机制。
关键技术方法
研究使用葡萄牙污水处理厂的消化污泥作为接种物，通过AMPTS II系统进行BMP测试，底物浓度固定为4 gCOD·L-1。纯培养实验选用DSMZ保藏的两种产甲烷菌，在120 mL厌氧瓶中进行，采用改良Gompertz模型分析甲烷动力学参数。通过扫描电镜(SEM)观察微生物-材料界面，并监测氧化还原电位(ORP)、pH等理化指标。
3.1 生物甲烷潜力测试
砂在所有底物中展现出最优的MP提升效果：污泥降解中MP增加16.8%（对照组236.4 mL vs 砂组283.3 mL），显著高于AC(14.3%)和nZVI(7%)。对于复杂底物如葡萄糖，砂使甲烷产率(MPR)提高22.1%，而对简单底物乙酸仅提升8.7%。值得注意的是，砂虽未缩短滞后期(λ)，但通过促进微生物生长使最大MPR提升37.4%（淀粉降解中达379.8 mL·d-1）。
3.2 纯培养产甲烷菌实验
砂对氢营养型M. formicicum的MPR提升最显著（9.87→12.45 mM·d-1），而AC和nZVI反而抑制活性。SEM显示砂颗粒表面形成密集生物膜，且硅(Si)含量达33.8%可能促进微生物附着。对于乙酸降解菌M. harundinacea，所有材料均未显著提升活性，说明砂的增效作用具有代谢路径特异性。
讨论与意义
该研究突破性地证明：1）砂通过提供生物膜载体而非导电通道促进AD，其硅基质可能释放生物可利用的ortho-硅酸刺激微生物；2）材料增效效果与底物复杂度正相关，在污泥等难降解底物中砂的MP提升比简单底物高93%；3）从葡萄牙污水处理厂回收砂的应用可兼顾成本效益（<5�/吨）与可持续性，较AC降低99%的材料成本。
研究也存在局限性：砂的长期使用可能引发设备磨损，且未解析硅元素的具体作用机制。未来需通过宏基因组学揭示微生物群落响应，并开发砂-CM复合材料的协同策略。这项成果为AD工艺优化提供了颠覆性思路——"导电性非必需，微环境构建才是关键"，推动废弃物能源化向低成本、低环境风险方向迈进。
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