富钙骨生物炭提升脂肪、油和油脂厌氧消化性能：甲烷最大化与微生物群落调控机制

本研究针对高浓度脂肪、油和油脂（FOG）厌氧消化（AD）过程中长链脂肪酸（LCFAs）抑制和系统不稳定的问题，通过引入猪骨生物炭（PB）和鸡骨生物炭（CB）等富钙材料，系统探究了其对甲烷产量、微生物群落结构和代谢途径的调控作用。结果表明，0.5%添加量下，PB和CB分别使累积甲烷产量提高至176.0和172.1 mL·g?1 VS，较对照提升4倍，并显著促进LCFAs降解和微生物电子传递（DIET），为有机废弃物能源化处理提供了高效策略。

　　

随着全球能源需求持续增长和气候变化问题日益严峻，从有机废弃物中开发可再生能源已成为研究热点。脂肪、油和油脂（FOG）作为一种高脂废弃物，理论甲烷产率极高，却因其水解产物——长链脂肪酸（LCFAs）——对微生物的强烈抑制和系统不稳定而难以高效处理。FOG积累不仅导致管道堵塞、泡沫和浮渣问题，还干扰氧气传递，传统处理方法如填埋、焚烧或堆肥存在成本高、二次污染或能源回收效率低等局限。尽管厌氧消化（AD）可将FOG转化为甲烷，但高浓度FOG（尤其是2–3% v/v）常常引起系统酸化、微生物活性下降和反应停滞。因此，开发经济有效的策略以缓解LCFAs抑制、提升系统稳定性和甲烷产量，已成为废弃物资源化领域的迫切需求。

在这一背景下，研究人员将目光投向富钙骨生物炭——一种源自废弃动物骨骼、经热解制备的多孔材料。生物炭已被证明可吸附抑制物、促进微生物附着和直接种间电子传递（DIET），而钙离子（Ca²⁺）能增强细胞信号传导、缓解微生物包埋和提供缓冲能力。然而，富钙骨生物炭在FOG厌氧消化中的应用潜力尚未被系统探索。为此，本研究团队在《Resources, Environment and Sustainability》上发表论文，系统评价了猪骨生物炭（PB）和鸡骨生物炭（CB）对FOG厌氧消化的增强效果，揭示了其通过多机制协同提升甲烷产量的规律。

为开展本研究，作者团队采集了本地食品废弃物处理公司的FOG和接种污泥，并制备了PB和CB（700°C热解20分钟）。实验设置了一系列批式厌氧消化反应器，以2.0% FOG为底物，分别添加0.1%、0.5%和1.0%钙当量的PB、CB和纯钙（Ca(OH)₂/CaCl₂混合物），以无添加组为对照。反应在500 mL玻璃反应器中进行，工作体积350 mL，于37°C、120 rpm条件下运行63天。日常监测生物气和甲烷产量，并采用气相色谱（GC）分析沼气成分和短链脂肪酸（SCFAs），液相色谱（LC）分析脂质降解产物。通过扫描电镜（SEM）、比表面积分析（BET）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）表征生物炭的物理化学性质。微生物群落结构通过16S rRNA高通量测序解析，并使用Gompertz模型进行动力学拟合。所有实验均设三次生物学重复，数据以均值±标准差表示，采用t检验和主成分分析（PCA）进行统计检验。

3.1. 生物炭特性

研究首先对PB和CB进行了系统表征。元素分析显示，PB和CB的钙含量分别为63.1%和60.9%，主要以氧化钙（CaO）和磷酸盐形式存在，同时具有高比表面积（119.0和116.9 m²·g^?1）和丰富孔隙结构。FTIR谱图表明，生物炭表面含有PO₄^3?、-OH和-C=O等官能团，这些特征有利于微生物附着和电子传递。热重分析（TGA）显示骨粉热解分为三个阶段：脱水、有机质分解和矿物转化，最终形成稳定多孔的碳材料。

3.2. 厌氧消化性能

3.2.1. 消化器稳定性参数

SCFAs监测结果显示，添加0.5% PB、CB和钙均显著促进了LCFAs降解，降解率分别达到81.6%、81.0%和84.8%，而对照组则出现酸积累。乙酸、丙酸和丁酸的快速消耗表明生物炭和钙增强了酸转化和甲烷生成途径。pH监测发现，添加组pH稳定在7.0–7.5，而对照组波动较大，表明富钙材料具有缓冲能力。

3.2.2. 生物气和甲烷生产

累积甲烷产量在0.5%添加量下达到最高：PB、CB和钙组分别为176.0、172.1和230.8 mL·g^?1 VS，较对照组（44.4 mL·g^?1 VS）提高了3.9–5.2倍。Gompertz模型拟合表明，添加生物炭和钙缩短了延滞期（从36天降至10–11天），提高了最大产甲烷速率。然而，1.0%添加量下出现抑制，尤其是纯钙组甲烷产量大幅下降，可能与钙沉淀和离子强度过高有关。

3.3. LCFAs消耗模式

脂质分析表明，0.5% PB、CB和钙组中棕榈酸（C16:0）、油酸（C18:1）和亚油酸（C18:2）等LCFAs的残留浓度最低，证实了这些材料对脂降解的促进效果。高添加量（1.0%）时，LCFAs降解率下降，可能与微生物活性抑制有关。

3.4. 微生物群落变化

3.4.1. 细菌群落

16S rRNA测序显示，添加PB、CB和钙显著改变了细菌群落结构。在0.5%添加量下，Syntrophomonas（互营单胞菌属）、Candidatus_Caldatribacterium和Arcobacter等LCFAs降解菌和电活性菌的丰度显著上升。这些菌群通过β-氧化和电子传递参与脂质分解和乙酸生成。

3.4.2. 古菌群落

古菌群落分析表明，添加组中甲烷螺菌属（Methanosarcina）和甲烷囊菌属（Methanoculleus）等甲烷菌丰度大幅提高。尤其是Methanosarcina，在0.5% PB组中占比从23.7%升至78.1%，表明乙酰脱羧和氢营养型甲烷生成途径均得到增强。高钙组中Methanosarcina占绝对优势，但多样性下降，提示过量钙可能限制群落功能。

研究通过图8总结了富钙骨生物炭的作用机制：生物炭的多孔结构为微生物提供了栖息地和电子传递通道；钙离子增强细胞聚集和缓冲能力；DIET机制加速了 syntrophic bacteria（互营细菌）与methanogens（甲烷菌）之间的电子交换；微生物群落重组进一步促进了LCFAs降解和甲烷生成。

本研究得出结论：富钙骨生物炭（PB和CB）在0.5%添加量下可显著提升FOG厌氧消化的甲烷产量和系统稳定性，其作用机制包括吸附抑制物、提供微生物载体、促进DIET和调控群落结构。研究不仅为动物骨废弃物的高值化利用提供了新途径，也为高脂废弃物的高效厌氧处理提供了理论依据和技术支撑。未来研究可进一步优化生物炭制备参数、探索微生物互作机制，并推动该技术在工业规模中的应用。