富含羟基的生物炭通过塑造微生物功能响应来增强厌氧消化中的甲烷生成

《Bioresource Technology》：Hydroxyl-enriched biochar enhances methanogenesis by shaping microbial functional responses in anaerobic digestion

　　

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  富含羟基的生物炭提高了甲烷产率，其中BMB₅的产率提升了20.9%。
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  羟基含量与甲烷产率显著相关（P < 0.01）。
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  生物炭诱导了有机物转化和产甲烷过程中微生物的分化。
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  生物炭添加诱导了菌毛和Fpo相关的共同功能响应。
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  羟基富集促进了电子向与HM相关的CO₂还原途径的传递。

引言

厌氧消化（AD）是一种多功能的生物技术，可将有机物转化为沼气，用于全球有机废物的处理（Liu等，2023；Wang等，2023）。然而，AD过程依赖于多种微生物种群之间协调的代谢相互作用，并且对底物特性和操作条件的变化仍然敏感（Zhao等，2021）。尽管AD同时实现了废物稳定化和可再生能源回收，但低效的产甲烷转化和不足的工艺稳定性仍然制约着甲烷回收率和运行可靠性的进一步提升。

为了克服这些限制，生物炭因其制备简单、成本低廉且来源广泛，已被用作AD系统中的导电材料以提升性能（Kumar等，2021；Lu等，2020）。已有研究表明生物炭对微生物活性和产甲烷性能具有增强效应（Sun等，2022；Wang等，2020；Yuan等，2018）。具体而言，其发达的孔隙结构为微生物的附着和定殖提供了保护性的界面生态位（He等，2024；Lee等，2016）。此外，生物炭能够缓冲pH波动并吸附抑制性化合物，有助于维持更有利的消化环境（Cimon等，2020；Wang等，2017）。总的来说，这些特性凸显了生物炭作为AD强化添加剂的应用潜力。

除了生物炭的结构特性外，近年来的研究进一步关注其表面官能团，这些官能团可通过变化参与界面电子传递，从而影响生物炭的电子交换能力（Shen等，2021；Sun等，2022）。Ren等（2020）报道表面官能团的丰度与生物炭促进CH₄产生的效果密切相关。Qin等（2020）进一步证实了官能团赋予的电子供体能力与最大CH₄产率之间存在正相关关系。在微生物层面，Wang等（2020）证明官能团介导的电子交换促进了互营微生物与产甲烷菌之间的电子传递。此外，越来越多的研究关注具有电子供体潜力的特定官能团，尤其是羟基。Jiang等（2022，2023）发现含有更多羟基的生物炭表现出更高的CH₄产率和产量。同样，我们前期的研究（Han等，2025）发现碱改性生物炭表现出明显的羟基富集，并伴随着CH₄产率的增加。这种增强作用可能与羟基的电子供体特性有关，因为氧化还原活性的羟基可以通过氧化反应释放电子并参与界面电子交换（Klüpfel等，2014；Zhang等，2018）。因此，羟基可能代表产甲烷过程中重要的表面化学特征。然而，以往研究主要报道了CH₄产生的改善和微生物的富集，而微生物对羟基含量变化的相应代谢功能响应仍不清楚。

在本研究中，我们合成了具有不同羟基含量的碱改性生物炭，以探究其在产甲烷性能和微生物响应中的作用。首先进行了批次试验以评估生物炭对甲烷产生的影响。采用16S rRNA基因测序比较浮游态和附着态群落。进一步，对附着态群落进行宏基因组分析，以表征电子传递相关功能并识别其对羟基富集的响应。本研究将阐明羟基在促进产甲烷过程中的作用及其相关的微生物功能响应，为AD系统中生物炭的定向设计提供机理依据。

章节片段

底物与接种污泥特性

本地餐厨垃圾湿重主要由40%淀粉、30%蔬菜、20%水果和10%肉类组成（Yang等，2022）。据此，选取大米、卷心菜、香蕉皮以及瘦肉和肥肉按1:1混合的猪肉作为代表性底物，制备合成餐厨垃圾。各组分在搅拌机中研磨至粒径小于5 mm。接种污泥取自实验室内连续运行的中温厌氧消化反应器，其

生物炭表征

NaOH改性显著改变了BMB的表面氧化学性质。如XPS峰解卷积所示（图1d–h），羟基对NaOH改性表现出最显著的响应，其峰面积从BMB₀中的33.78%增加到BMB₅和BMB₁₀中的39.82%和38.60%。相比之下，羧基保持相对稳定，约为30%，而内酯基和酮基在中等程度改性下更富集，在BMB₁和BMB中分别达到34.66%和33.86%

结论与展望

本研究将羟基含量确定为与球磨生物炭在AD过程中的产甲烷性能密切相关的关键材料性质。BMB₅相比BMB₀的CH₄产率提高了20.9%，且羟基含量与最终CH₄产率呈显著正相关。尽管各处理间的液相条件演化相似，但微生物群落表现出明显的浮游态和附着态分布差异。生物炭表面优先富集了

CRediT作者贡献声明

Yi Han：撰写初稿、可视化、调查、概念化。Yaoyihan Luo：可视化、调查。Limin Guo：监督。Sen Lin：审阅与编辑。Xiaohui Wu：资源。Feixiang Zan：审阅与编辑、资源、经费获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的会可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢来自国家国家重点研发计划（2025YFE0116700）和国家自然科学基金（项目号52370136）的支持。作者对来自科学指南针的Hongyu Wang先生（www.shiyanjia.com）在BET分析方面提供的宝贵帮助表示感谢。我们感谢环境科学与工程学院环境研究设施公共服务平台的支持。

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