《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Earthworm Pretreatment Enhances Anaerobic Biogas Production through Time-Dependent Structural Modification of Coal
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煤蚯蚓堆肥预处理30天时甲烷产量最高（175.54±23.53 μmol·g?1），其机制与煤微晶结构（d002、Lc）演变相关，揭示物理结构调控生物降解的规律。
牛云霞|夏大平|周晓|徐斌|常慧珍|建国阔|罗瑞|余志家|傅海蛟
河南理工大学资源与环境学院，焦作454000，中国
摘要
煤炭的生物降解性受到其难降解芳香结构的重要限制，这对其厌氧消化以生产甲烷构成了根本性挑战。本研究提出了一种利用蚯蚓堆肥对煤炭进行绿色预处理的创新方法。通过对不同预处理时间（10天、30天、60天）下的气体产率和微观结构演变进行系统研究，发现30天的预处理条件产生了最高的甲烷产量（175.54 ± 23.53 μmol·g?1）。物理化学结构分析表明，蚯蚓活动有效去除了煤炭中不稳定的脂肪侧链，促使EC30煤样演变为更加有序且易于生物利用的结构，从而为微生物定殖和酶促水解创造了有利条件。进一步分析表明，甲烷产量与微晶结构参数（d??2和Lc）的相关性更强，而非表面化学性质，这表明煤炭的物理结构在甲烷生成过程中起着关键作用。本研究确定30天为最佳预处理时间。从微晶结构演变的角度，阐明了煤炭生物转化的物理机制，为从复杂有机物中回收能源提供了新的理论和方法支持。
引言
在全球能源转型和可持续发展的背景下，开发高效的生物能源转化技术具有重要意义[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。作为具有丰富储量的传统能源，煤炭的厌氧生物甲烷化为实现废弃材料的资源化利用提供了潜在途径（Guo等人，2023；[7]、[8]）。据估计，二次生物气体占全球煤层气储量的10-27%[9]。然而，煤炭复杂的芳香结构和紧密的物理形态显著限制了其生物可利用性和微生物转化效率[10]、[11]、[12]、[13]。从根本上说，煤炭有机物的生物降解是整个转化系统中的关键限速步骤[14]、[15]。
为了提高煤炭的生物降解性，主要的预处理方法包括物理、化学和生物方法[10]、[11]（Huang等人，2021；[16]）。尽管物理和化学方法可以提高甲烷产量，但它们往往伴随着高能耗或二次污染等问题[17]、[18]、[19]、[20]。虽然传统的微生物预处理方法环保，但通常受到处理周期长和效率低的限制[21]、[22]、[23]。值得注意的是，现有研究主要集中在提高沼气产量上，而对预处理过程中煤炭自身物理化学结构动态演变机制的系统阐述仍较为缺乏。尽管最近的研究加深了我们对煤炭生物降解的理解，并证实微生物活动可以改变煤炭的孔结构和化学组成[14]、[15]，但关键物理化学结构参数与生物代谢之间的有效关联仍有待建立[17]、[18]、[24]、[25]。
蚯蚓堆肥作为一种生态友好的生物处理技术，通过其独特的物理破碎、酶促水解和肠道微生物活性的协同作用，在处理各种类型的有机固体废物方面表现出高降解效率[26]、[27]、[28]。这种多机制协同处理模型在常温常压下运行，有效避免了化学污染和高能耗的问题，为降解煤炭的复杂结构提供了新的方法。最近的研究证实，蚯蚓堆肥预处理通过调节碳-氮协同作用有效促进了煤炭在厌氧消化过程中的甲烷生成[29]。然而，煤炭结构如何随预处理时间演变以及这种演变如何影响其可消化性仍不清楚。因此，本研究系统地研究了蚯蚓堆肥预处理时间（10天、30天和60天）对煤炭厌氧消化气体产率的影响。利用多尺度表征技术，重点阐明了在蚯蚓活动作用下煤炭的微晶结构、表面性质和降解效率之间的动态相互关系。本研究不仅为煤炭生物转化提供了一种高效的绿色预处理策略，而且从新的物理化学结构角度加深了对复杂有机物生物降解过程中时空演变机制的理解。
实验设计
实验设计
新鲜煤炭样本取自内蒙古马奈梁，其质量分析结果见表1。煤炭样本经过干燥后研磨成粉末（0.1-0.15毫米），并储存在黑暗环境中。实验室培养的成年蚯蚓（Eisenia fetida）被收集起来，用超纯水冲洗，然后放置在滤纸上以净化其肠道[30]、[31]。预处理实验在圆柱形聚丙烯反应器（直径?=8厘米，高度h=10厘米）中进行。
煤炭样本的生物气体生成特性
本研究系统评估了蚯蚓堆肥预处理对煤炭厌氧消化过程中气体生成性能的影响，特别关注氢气、二氧化碳、甲烷和氮气的生成动态（图1）。实验设置包括未经处理的煤炭样本以及经过10天、30天和60天蚯蚓堆肥处理的煤炭样本（分别称为EC10、EC30、EC60）。结果表明，蚯蚓堆肥预处理显著提高了煤炭的气体生成效率。
结论与展望
本研究提出并验证了一种基于蚯蚓堆肥的煤炭绿色预处理方法，系统揭示了预处理时间通过调节煤炭的微晶物理结构来控制厌氧生物甲烷化效率的关键机制。主要结论如下：1. 30天的蚯蚓堆肥预处理实现了最佳的甲烷产量，累积甲烷产量为175.54 ± 23.53 μmol·g?1。
未引用的参考文献
[65]、[66]、[67]、[68]、[69]、[70]、[71]、[72]
CRediT作者贡献声明
傅海蛟：监督、资源获取。
建国阔：撰写 – 审稿与编辑、软件使用。
常慧珍：研究、数据分析、数据管理。
余志家：监督。
罗瑞：撰写 – 审稿与编辑、方法论。
夏大平：撰写 – 审稿与编辑、监督。
牛云霞：撰写 – 初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、项目管理、方法论。
徐斌：监督、资源协调、概念构思。
周晓：数据验证、资源协调。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42172199, 42172192）和国家自然科学基金重点项目（42230804/01）的支持。
