综述：用于沼气生产的厌氧消化中的新兴材料及预处理策略：近期进展、局限性及未来展望的综述

《Industrial Crops and Products》：Emerging materials and pretreatment strategies in anaerobic digestion for biogas production: A review on recent advances, limitations, and future perspectives

厌氧共消化（AcoD）与预处理技术协同提升生物天然气（biogas）产量的材料科学机制及机器学习优化研究。重点分析MXene、碳量子点（CQDs）、铁基材料等纳米材料的吸附、催化及电子转移特性，结合蒸汽爆破、超临界CO2爆炸等预处理技术，揭示其对有机物降解、pH调控及微生物群落的影响。同时，基于Scopus和Web of Science的文献计量分析，探讨SDGs目标驱动下的全球biogas生产趋势与挑战，提出机器学习模型（如ANN、GA、SVM、RF）在优化AD参数（C/N比、HRT、OLR）及预测产气效率中的应用潜力，并指出材料回收、成本效益及环境风险等研究缺口。

　　在当前全球范围内，随着资源消耗和环境退化问题的日益严重，厌氧共消化（Anaerobic Co-Digestion, AcoD）和有效的预处理方法在实现生物能源的可持续发展方面发挥着重要作用。这些方法能够有效提高生物气的产量，同时减少对环境和经济的负面影响。近年来，材料科学的发展为生物气的生产提供了新的思路，通过引入各种新型材料，如MXene、碳量子点（CQDs）、石墨烯、纳米材料、生物炭和铁基导电材料（CMs）等，科学家们不断探索如何优化生物质转化过程，提高生物气产量。本文旨在综合分析这些材料在生物气生产中的作用，探讨其机制、特性及应用前景，并结合机器学习（ML）模型的最新进展，分析该领域的研究空白和未来发展方向。

### 生物气生产的背景与重要性

生物气作为一种可再生能源，因其较低的初始和持续运营成本，以及能够将有机废弃物转化为有价值的资源，正逐渐受到关注。在生物气生产过程中，生物质的转化效率是关键因素之一。单一的生物质来源，如食品废弃物，往往面临诸如快速降解、低碳氮比、缓冲能力有限和营养成分不足等挑战。这些因素可能导致挥发性脂肪酸（VFA）的过度积累，从而降低消化效率和微生物活性。因此，合理的预处理方法和共消化策略对于提高生物气产量至关重要。

近年来，厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）的效率和可持续性得到了显著提升。通过引入多种材料，如MXene、CQDs和石墨烯，可以优化微生物群落结构，提高电子传递效率，并减少抑制性物质对消化过程的影响。这些材料的引入不仅提高了生物气的产量，还增强了系统的稳定性和可持续性。此外，全球范围内生物气的生产和利用也在迅速增长，2021年全球生物气产量达到约400亿立方米，而2023年生物电力的产量则达到了697 TWh，显示出生物气在能源生产中的巨大潜力。

### 预处理策略的发展与应用

为了提高厌氧消化的效率，科学家们提出了多种预处理策略，包括物理、化学、生物和物化相结合的方法。其中，物理预处理如蒸汽爆破（Steam Explosion, SE）和超临界二氧化碳爆破（Supercritical CO? Explosion, SCE）被认为是有效的手段。SE预处理通过高压蒸汽对生物质进行处理，能够有效破坏纤维素结构，促进微生物的分解作用。而SCE则利用超临界CO?的特性，通过物理作用加速生物质的降解过程，同时减少对环境的污染。

化学预处理方法如深共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）也被广泛应用。DESs具有良好的环境友好性，能够有效降解生物质中的复杂结构，同时减少有害物质的释放。例如，研究显示，通过使用DESs对玉米秸秆进行预处理，可以提高生物气的产量，并减少对环境的负面影响。此外，生物预处理如生物水解（Biological Hydrolysis, BH）也在研究中表现出良好的应用前景。BH通过微生物的分解作用，能够显著提高生物气的产量，并减少VFA的积累。

### 新型材料在生物气生产中的作用

在生物气生产过程中，新型材料的应用成为提高效率和可持续性的关键。MXene、CQDs和石墨烯等材料因其独特的物理和化学特性，被认为是提升生物气产量的重要工具。MXene是一种具有二维结构的材料，能够通过其高比表面积和优异的导电性，促进电子传递，从而提高生物气的产量。研究发现，MXene在厌氧共消化系统中能够显著提升生物气的产量，同时降低对环境的影响。

CQDs在生物气生产中的应用同样引人注目。CQDs能够有效促进微生物的电子传递，并通过其高比表面积和表面功能化，提高生物气的产量。此外，CQDs还能够通过其表面电荷特性，与微生物细胞膜上的带电基团相互作用，从而促进电子传递和生物气的生成。石墨烯及其相关材料如石墨烯氧化物（GO）也被广泛研究。GO能够通过其高导电性和优异的吸附能力，提高生物气的产量，并减少对环境的污染。

### 机器学习在生物气生产中的应用

随着数据科学的发展，机器学习（ML）模型在生物气生产中的应用也逐渐增多。ML模型能够通过分析大量的实验数据，预测生物气的产量和消化效率，从而优化操作参数。例如，人工神经网络（Artificial Neural Network, ANN）和随机森林（Random Forest, RF）等模型已被用于预测生物气的产量和优化消化过程。这些模型能够处理复杂的非线性关系，并提供更精确的预测结果。

此外，ML模型还能够通过分析不同材料的特性，优化其在生物气生产中的应用。例如，通过结合ANN和遗传算法（Genetic Algorithm, GA），可以更有效地控制生物气的产量，并提高系统的稳定性。研究还发现，通过使用SMOTE（合成少数类过采样技术）和RF等模型，可以提高对不平衡数据的处理能力，从而提升预测的准确性。

### 研究现状与未来发展方向

尽管材料科学和机器学习在生物气生产中取得了显著进展，但仍存在一些研究空白。例如，MXene、石墨烯和碳纳米管（CNTs）等材料在生物气生产中的应用仍需进一步研究。此外，不同材料的回收和再利用也是未来研究的重要方向。由于这些材料在生产过程中可能残留于消化残渣中，因此需要探索有效的回收策略，以减少对环境的影响。

另一个重要的研究方向是生物气生产中的经济性和可持续性。尽管某些材料如CQDs和MXene在生物气生产中表现出优异的性能，但其高成本和规模化生产的技术瓶颈仍需解决。因此，未来的研究应集中在如何降低这些材料的生产成本，并提高其在工业规模下的应用可行性。

此外，生物气生产中的微生物群落研究也是未来的重要方向。通过分析不同材料对微生物群落的影响，可以更好地理解其在生物气生产中的作用，并优化微生物的生长环境。例如，某些材料能够促进特定微生物的生长，而另一些材料则可能抑制其活性。因此，未来的研究应结合微生物学和材料科学，探索最佳的材料组合和操作条件。

### 结论

综上所述，厌氧共消化和有效的预处理方法在生物气生产中具有重要的应用价值。通过引入新型材料，如MXene、CQDs和石墨烯，可以显著提高生物气的产量，并减少对环境的负面影响。同时，机器学习模型的应用为优化生物气生产提供了新的工具，能够通过数据分析和预测，提高系统的效率和稳定性。未来的研究应重点关注材料的回收和再利用、微生物群落的优化以及经济性和可持续性的提升，以推动生物气生产在更大范围内的应用和发展。