生物炭投加量与接种比对种间电子传递的调控机制及酸抑制缓解作用研究

本研究针对餐厨垃圾厌氧消化(AD)中易酸化失衡、挥发性脂肪酸(VFA)积累导致系统失效的问题，通过探究生物炭(BC)投加量(5/15/45 g/L)与接种比(ISR)(0.52/0.26/0.13)的交互作用，揭示了BC通过促进Petrimonas与Methanosaeta间直接种间电子传递(DIET)，强化CO2还原产甲烷途径，显著提升低ISR下甲烷产量的机制。该研究为BC调控复杂有机废物AD提供了理论依据和技术支撑。

　　

随着中国城镇化进程加速，餐厨垃圾等城市有机废弃物的年排放量持续攀升，其中餐厨垃圾占比高达30-50%，其高效资源化处理成为环境领域的重要挑战。厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）技术因其能够同步实现废物处理与甲烷能源回收，被公认为一种环境友好且可持续的解决方案。然而，餐厨垃圾易生物降解的特性使得AD过程中的酸化阶段和产甲烷阶段极易失衡，导致挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFA）积累、pH骤降，进而抑制产甲烷菌活性，最终造成系统失效。这一问题的核心在于酸ogenic菌与产甲烷菌之间的种间电子传递（Interspecies Electron Transfer, IET）受阻。近年来，研究表明生物炭（Biochar, BC）作为一种潜在添加剂，可通过充当电子载体促进直接种间电子传递（Direct IET, DIET），从而提升AD性能。但生物炭的促进作用受其投加量、接种比（Inoculum-to-Substrate Ratio, ISR）等多种因素影响，且二者在调控餐厨垃圾AD中的交互作用及微观机制尚不明确。

为深入探究生物炭投加量与ISR如何协同调控AD过程、缓解酸抑制并促进甲烷生产，来自福建师范大学的研究团队在《Biomass and Bioenergy》上发表了题为“Deciphering the role and mechanism of biochar dosage and inoculum-to-substrate ratio in modulating interspecies electron transfer and alleviating acid inhibition”的研究论文。该研究通过系统设计不同生物炭投加量（5、15和45 g/L）与ISR（0.52、0.26和0.13）的组合实验，结合甲烷产能性能、电化学特性及微生物群落分析，首次揭示了生物炭在低ISR下通过强化DIET途径缓解酸抑制的作用机制，为优化餐厨垃圾AD工艺参数提供了重要理论依据和实践指导。

本研究主要采用了以下关键技术方法：通过批次厌氧消化实验在120 mL厌氧瓶中进行餐厨垃圾AD测试，监测甲烷产量、pH、SCOD（可溶性化学需氧量）和VFA动态变化；利用气相色谱（GC）分析甲烷和VFA组成；采用循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）测定系统的电化学活性及氧化还原介体；通过INT-ETS法检测微生物胞内电子传递系统活性；基于16S rDNA测序（Illumina PE300/PE250平台）分析微生物群落结构，并利用PICRUSt2预测功能代谢通路。实验所用厌氧污泥采自处理养猪废水的厌氧折流板反应器，餐厨垃圾取自福建师范大学旗山校区食堂，生物炭以蘑菇栽培废弃物为原料在500°C下制备。

3.1. 产甲烷性能

降低ISR从0.52至0.13显著抑制了产甲烷性能，对照组甲烷产量降幅达17.4–55.5倍。添加生物炭后，各ISR下甲烷产量均显著提升，最高投加量（45 g/L）使ISR为0.52、0.26和0.13时的产量分别提高61%、23.7倍和50.7倍。但生物炭的调控能力随ISR降低而减弱，低ISR下（0.13）需更高剂量生物炭才能部分恢复产甲烷活性，且滞后时间延长。

3.2. pH、SCOD与VFA变化

所有组别AD初期pH均降至6.0以下，对照组在低ISR下持续酸化。生物炭添加加速了pH恢复，且高剂量效果更显著，表明其促进了酸化与产甲烷的平衡重建。SCOD和VFA变化趋势一致，生物炭虽未提升早期VFA产量，但促进了后期VFA的降解，且降解效率随ISR降低而下降。

3.3. 电化学特性

CV和DPV分析显示，生物炭添加改变了系统的氧化还原峰电流及介体类型。低ISR下，生物炭通过促进核黄素、细胞色素等氧化还原介体分泌增强胞外电子传递（EET）；同时，胞内电子传递系统（ETS）活性在生物炭添加后显著提升，支持了产甲烷所需的能量代谢。

3.4. 微生物群落分析

微生物测序表明，ISR降低选择性富集了VFA生产者（如Clostridium、Terrisporobacter）和DIET参与者（如Petrimonas、Syntrophomonas）。生物炭添加进一步富集了电活性菌（如Petrimonas、R_7）和DIET型产甲烷菌（Methanosaeta、Methanosarcina），并抑制了氢营养型产甲烷菌（Methanobacterium）。多元回归分析显示，低ISR下甲烷产量与Petrimonas和Methanosaeta丰度呈正相关。

3.5. 预测代谢功能

PICRUSt2预测显示，低ISR增强了氨基酸、糖酵解等酸化相关代谢，但抑制了丙酸/丁酸降解及甲烷代谢途径。生物炭添加下调了酸化代谢，上调了氧化磷酸化途径（如NADH脱氢酶、细胞色素氧化酶基因）和甲烷代谢模块（尤其是CO₂还原途径相关基因fwdA-E、mtd、mer），表明其通过能量供应和DIET途径促进VFA转化。

研究结论表明，生物炭投加量与ISR交互调控AD性能的核心机制在于：低ISR导致VFA过度积累和系统酸化，而生物炭通过增强胞内电子传递活性（ETS）、促进电活性菌（如Petrimonas）与DIET型产甲烷菌（如Methanosaeta）的互营合作，强化了以CO₂还原为主导的产甲烷途径，部分缓解了酸抑制。然而，生物炭对VFA代谢的调控能力随ISR降低而减弱，表明其作用具有剂量和ISR依赖性。该研究首次系统解析了生物炭与ISR在复杂有机废物AD中的协同机制，为优化餐厨垃圾处理工艺参数（推荐ISR=0.52、BC=15–45 g/L）提供了理论依据，对推广生物炭在 perishable有机废物处理中的应用具有重要指导意义。