氮掺杂生物炭中氮形态的功能识别及其在厌氧消化过程中促进甲烷生成的作用

《Environmental Research》：Function identification of nitrogen forms in nitrogen-doped biochar for promoting methane production in anaerobic digestion

　　

曹晓月|唐聪聪|陈硕涵|孙胜杰|杨春雪|周爱娟|刘泽伟|何张伟

中国西安建筑科技大学环境与市政工程学院，教育部西北水资源、环境与生态重点实验室，西安710055

摘要

氮掺杂生物炭材料（NBM）被认为是通过厌氧消化（AD）提高甲烷产量的有前景的材料之一。然而，NBM中氮的形式所起的关键作用仍不清楚。本研究在四种不同的热解温度下制备了NBM，并对其氮的形式进行了表征，以揭示它们如何影响甲烷产生的机制。随着热解温度的升高，NBM中的氮含量减少，其官能团和氮的形式也发生了变化。在700°C下制备的NBM获得了最高的累积甲烷产量，比对照组增加了31.8%。机制分析表明，NBM-700中高含量的石墨氮（占氮形式的29.6%）促进了多糖和蛋白质的降解，并加速了短链脂肪酸的转化，从而促进了水解和产酸过程。同时，它促进了细胞外聚合物物质中氧化还原活性物质的积累，从而加速了共生细菌与产甲烷菌之间的电子传递（IET）。就关键酶活性和微生物群落而言，NBM中的吡咯氮和石墨氮具有积极作用。以NBM-700为例，它使α-葡萄糖苷酶、总蛋白酶活性、细胞色素C和辅酶F₄₂₀分别增加了14.8%、32.1%、54.3%和29.7%。此外，石墨氮富集了如Clostridium_sensu_stricto_13、Methanosaeta和Methanosarcina等电活性微生物，有利于产甲烷途径的建立。此外，NBM还增强了乙酸氧化产甲烷途径对甲烷生产的贡献潜力。这些发现为使用NBM作为外源添加剂提高AD的甲烷产量提供了宝贵的见解。

引言

在全球双碳目标的背景下，废水处理行业作为中国十大碳排放行业之一，正承担着减少碳排放的艰巨任务（Zhong等人，2025年）。随着废水处理设施的迅速增加，产生的污泥量也大幅增加。预计到2030年，中国的污泥产量将超过1.1亿吨（含水量为80%）（Liu等人，2024年）。污泥同时具有污染物和资源的双重属性。一方面，它含有有害的有机污染物和病原体，对环境质量和公共健康构成重大风险（Meng等人，2026年）；另一方面，它富含可生物降解的有机物，包括蛋白质和多糖（Chen等人，2020年）。如果不进行稳定处理，污泥会分解，污染环境并造成资源浪费（Jin等人，2025年）。因此，开发污泥的资源回收和稳定技术已成为当务之急。

厌氧消化（AD）是一种环保且可持续的技术，广泛应用于污泥的回收、稳定和减量化处理（Zhong等人，2025年）。其稳定运行依赖于功能微生物之间的共生代谢（Geng等人，2024年）。然而，这种共生代谢常常受到种间电子传递（IET）的限制，进而影响产甲烷效率和系统稳定性（Huang等人，2025年；Qiang等人，2026年）。经典的IET途径如种间氢/甲酸转移存在热力学限制，依赖于扩散质量传递（Duan等人，2025年）。已经提出了多种促进电子传递的方法，包括生物强化、微量元素补充、电化学刺激和导电材料添加（Chen等人，2025年；Xu等人，2026年；Zhang等人，2024年）。其中，添加导电材料受到了越来越多的关注，因为它们可以作为电子导体，促进直接的种间电子传递（DIET）（Ren等人，2025年）。在各种导电材料中，生物炭因其化学稳定性、价格合理和优异的导电性而脱颖而出（Ma等人，2024年；Zhao等人，2025年）。值得注意的是，生物炭的物理化学性质受制备条件（如停留时间、热解温度和加热速度等）的影响较大，导致其性能存在显著差异（Bahrami等人，2025年）。这一限制限制了其在实际应用中的有效性，阻碍了其性能优势的充分发挥（Gao等人，2022年）。为了解决这一限制，人们对生物炭改性进行了广泛研究。用氮、磷和硫等杂原子掺杂生物炭可以引入特定的官能团（Wan等人，2020年），从而有针对性地调节其电子传递能力和表面亲和力，以满足AD的具体要求。

在各种杂原子中，氮的原子半径与碳相近，易于替代并生成含氮官能团（Gao等人，2022年）。氮的电负性（3.04）高于碳（2.55），因此氮掺杂可以重新分配生物炭框架内的电子密度，并生成带正电的碳原子作为潜在的活性位点（Wang等人，2014年）。氮掺杂还可以将富含电子的氮原子引入碳基质中，增加π键电子并改变费米能级附近的态密度，从而显著提高生物炭的导电性。这些性质为氮掺杂生物炭材料（NBM）在AD中的应用提供了广阔的前景（Breen等人，2026年）。值得注意的是，NBM中的氮主要以两种形式存在：结构氮和化学氮（He等人，2025年）。前者与碳框架共价结合，包括吡啶氮、吡咯氮和石墨氮；后者主要表现为氨基和硝基。这些氮主要来源于最初附着的胺官能团的热分解（Wan等人，2020年）。在热解过程中，氮原子可以通过脱水、缩合和芳香化反应成功掺入碳层（Wan等人，2020年）。不同的氮形式赋予NBM不同的功能特性，使其在富集电活性微生物和加速电子传递方面具有固有优势（He等人，2025年）。吡啶氮和吡咯氮形式会导致局部电子缺陷的形成，从而在环境中捕获电子（Sun等人，2013年）。石墨氮有助于电子传递，从而提高生物炭的导电性（Sun等人，2013年）。氨基和硝基增加了布朗斯特碱性，提高了吸附能力（Lu等人，2021a）。这些性质可能为NBM调节AD的稳定性提供了结构基础。作为生物炭制备的核心参数，热解温度不仅影响其物理化学性质，还决定了生物炭中氮的形式、组成比例和稳定性（He等人，2026a）。先前的研究表明，提高热解温度可以促进不稳定的氮形式转化为更稳定的芳香氮或结构氮形式（He等人，2025年）。特别是石墨氮在较高温度下更易形成，因为其热稳定性更高且能掺入碳晶格（Yang等人，2023年）。然而，目前关于NBM在AD中的大多数研究主要集中在整体性能改进上，热解温度如何影响生物炭中的氮形式仍不清楚，氮形式在促进甲烷产生中的具体作用及其潜在机制也尚未明确。

本研究旨在探讨不同热解温度下NBM中氮形式的变化，并进一步探索它们对AD的调节作用。首先，对NBM的组成、结构和氮形式进行了表征；其次，评估了它们对AD的影响；第三，通过研究中间代谢物、酶活性、微生物群落结构和产甲烷途径的变化，阐明了NBM中氮形式影响甲烷产生的内在机制。这些发现可能为NBM在AD中的应用提供一些理论基础和实践支持。

章节片段

污泥的来源和特性

本研究从中国西安某污水处理厂的二次沉淀池获取了污泥。收集的污泥在4°C下储存24小时以进行重力沉淀，然后弃去上清液，并用0.45毫米筛网去除沙子和砾石。最后，将浓缩后的污泥保存在4°C。关于污泥的AD处理，溶解阶段是限速步骤（Meng等人，2026年），因此污泥在80°C下预处理30分钟（Jin等人，2025年）。

氮掺杂生物炭的组成表征

不同热解温度下NBM的组成见表S2。随着热解温度的升高，NBM的产量和氮含量均降低。这是由于氮原子在较高温度下分解成挥发性物质并释放所致（Gao等人，2022年）。此外，碳含量随热解温度的升高而降低，而氢含量的变化趋势则相反。

结论

本研究揭示了氮形式在AD中促进甲烷产生的机制。结果表明，随着热解温度的升高，生物炭中的氮含量降低，而官能团和氮的形式也发生变化。在700°C下制备的NBM表现出均匀的氮分布和最强的氧化还原峰，从而实现了高效的电子传递。所有NBM的累积甲烷产量显著增加（p < 0.05）。

CRediT作者贡献声明

何张伟：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。唐聪聪：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、方法学、调查、概念化。曹晓月：撰写 – 初稿撰写、可视化、验证、正式分析、数据管理。孙胜杰：可视化、验证、方法学、数据管理。陈硕涵：可视化、验证、软件使用、调查。杨春雪：资源准备、调查、资金获取。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52270139和52570177）和黑龙江省自然科学基金（PL2024E018）的支持。