《Biomass and Bioenergy》：Mechanistic insights into natural deep eutectic solvent pretreatment for enhancing anaerobic digestion of lignocellulosic biomass
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•ChCl–LA NDES 实现了高选择性的木质素脱除，糖类保留率达 81.4%。•ChCl–LA NDES 驱动纤维素结晶度大幅降低（93.4%）。•NDES 预处理在无需酶解步骤的情况下即可产出 501.8 mL CH4/g VS。•ChCl–LA NDES–AD 工艺实
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ChCl–LA NDES 实现了高选择性的木质素脱除，糖类保留率达 81.4%。
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ChCl–LA NDES 驱动纤维素结晶度大幅降低（93.4%）。
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NDES 预处理在无需酶解步骤的情况下即可产出 501.8 mL CH4/g VS。
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ChCl–LA NDES–AD 工艺实现了令人瞩目的 71.2% 总能量回收率。
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NDES 预处理促进了有利于 AD 的强健 Leptolinea-Methanosarcina 菌群联盟的形成。
引言
草坪修剪物（GCs）是一种尚未被充分利用的木质纤维素生物能源资源 [1]。2018 年，美国的庭院修剪废弃物总量约为 3540 万吨，占城市固体废物的 12.1%，其中 GCs 占其中的一半 [2]。厌氧消化（AD）为同时减少固体废弃物并产生沼气的 GCs 高值化提供了一种可行策略。然而，GCs 固有的难降解性构成了生物降解的重大瓶颈。这种抗性源于纤维素（20–40%）、半纤维素（15–30%）以及保护性木质素外壳（5–15%）的复杂基质 [3]。有效的预处理步骤对于解构这种刚性结构并暴露可发酵碳水化合物以供 AD 利用至关重要 [4]。传统预处理主要在苛刻的热化学条件下针对碳水化合物的溶出 [5]。这些严苛工艺可能造成高能耗并产生大量废水 [6]。相比之下，木质素优先分离策略可在温和条件下选择性去除木质素屏障，从而最大化下游碳水化合物的可及性 [7]。
包括物理、化学、物理化学和生物方法在内的传统生物质预处理存在重大操作缺陷 [8]。主要挑战包括高能量投入、大量废水产生以及发酵抑制剂的生成，如糠醛和 5-羟甲基糠醛（5-HMF）[9]。随后的酶解（EH）将结构性多糖转化为可发酵糖。然而，商用酶的高采购成本以及需要单独的中间单元操作造成了沉重的经济负担 [10]。为克服这些挑战，深共晶溶剂（DESs）作为有前景的绿色溶剂和催化剂应运而生 [11]。DESs 是由氢键供体与受体之间强氢键作用形成的常温液体。其高热稳定性、可忽略的挥发性、低毒性和易合成性使其成为传统溶剂的理想替代品 [12]。天然深共晶溶剂（NDESs）由天然来源的氢键供体和受体组成，如氯化胆碱（ChCl）、尿素和有机酸，与传统危险化学品相比具有更低的挥发性和更高的生物工艺相容性 [13]。最近，DES 设计领域已扩展至多样的二元和三元配方，以最大化脱木质素效率。这些配方包括表面活性剂功能化体系，如十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）–乳酸（LA），含多元醇的三元基质，如 ChCl–草酸（OA）–乙二醇，以及强酸性或路易斯酸催化的三元体系 [[14]、[15]、[16]、[17]、[18]]。尽管这些三元和表面活性剂基 DESs 实现了高脱木质素率（约 85%），但将其与下游生物过程集成涉及关键的工程权衡。强布朗斯特或路易斯酸组分会促使多糖过度降解为糠醛、5-HMF 和酚类衍生物，从而抑制微生物代谢。残留的长链季铵盐表面活性剂本身具有杀菌性，可能会抑制厌氧菌群 [14,15]。此外，甘油基和糖类溶剂往往具有高黏度，限制了传质并增加溶剂回收的难度 [17]。因此，一种能选择性脱木质素同时保留结构碳水化合物、且不产生生物工艺抑制性残留物的简单二元 NDES 仍然是一个关键需求。ChCl–有机酸 NDESs 的两种组分均为生物质来源的主要代谢物，可在比强效三元体系温和得多的布朗斯特酸性下实现与之相当的脱木质素率，从而减少对预处理后解毒的需求，满足了这一需求 [19]。这些因素使二元 NDESs 成为木质纤维素生物质预处理的理想平台。
将 DES 预处理与 AD 结合，可通过提高碳水化合物的生物可及性来有效提高沼气（CH4）产量 [3]。先前的研究表明，采用 ChCl–甘油、ChCl–三乙醇胺和 ChCl–LA 进行的 DES 预处理在无需 EH 的情况下可从木质和农业废弃物中实现 122 至 316 mL/g 挥发性固体（VS）的 CH4 产量。然而，这些体系在长时间热处理（90°C 持续 3 小时）条件下存在明显的碳水化合物损失，并需要辅助微波设备 [20,21]。因此，开发一种能驱动结构破坏同时防止糖类降解的高选择性 NDES 预处理，对于最大化总能量回收率至关重要。在此背景下，GCs 是一种有吸引力但尚未被充分探索的 NDES 辅助 AD 底物。应用 ChCl–有机酸 NDESs 可选择性分离木质素，同时保护可发酵碳水化合物并避免抑制剂生成 [22]。尽管平衡的微生物相互作用支配着 AD 性能，但厌氧菌群对 NDES 预处理后 GCs 的具体分类学和功能学响应仍知之甚少。
本研究开发了一种利用生物相容性 ChCl 基 NDESs 对 GCs 进行 CH4 转化的简化工艺。ChCl–LA 体系在保留碳水化合物的同时实现了最大化选择性脱木质素，并诱导了广泛的纤维素无定形化。这些结构变化显著提高了底物对厌氧微生物的生物可及性和生物利用度。此外，该预处理从根本上重塑了厌氧群落，通过促进水解和产甲烷微生物群组的协同作用。因此，该体系在无需补充商用酶的情况下实现了高 CH4 产量，建立了一种高效、化学温和的策略来克服木质纤维素的难降解性。
章节片段
化学品与材料
ChCl、尿素、苹果酸（MA）、琥珀酸（SA）、LA、戊二酸（GA）和硫酸购自大正化学金属有限公司（大韩民国狮州市）。来自Aspergillus niger（黑曲霉）的纤维素酶（粉末，CAS 号 9012-54-8）购自 Sigma-Aldrich 公司（美国圣路易斯）。GCs 采集自大韩民国的一处居民区。作为接种物使用的厌氧污泥（AS）采集自水原污水处理厂（大韩民国土原市）。
GCs 的物理化学表征
为评估 GCs 的 NDES 预处理和 AD 潜力，进行了组成分析（纤维素、半纤维素、木质素、抽提物和灰分）和元素分析（C、H、N、S 和 O）。GCs 主要由碳水化合物（纤维素和半纤维素）组成，占 64.2%，是 AD 过程中转化为 CH4 的主要组分。木质素总含量为 13.8%，其中大部分为 AIL（12.0%）（表 1）。作为一种高度抗生物降解的组分，
结论
使用 ChCl–LA 进行的 NDES 预处理通过双重作用机制提高了难降解 GCs 的 CH4 产量，既作为高选择性的脱木质素剂（实现约 70% 的木质素脱除同时保留 81.4% 的碳水化合物），又作为强效的溶剂–催化剂，促进纤维素无定形化（结晶度降低 93.4%）。ChCl–LA 预处理有效解构了生物质结构，在无需
CRediT 作者贡献声明
Geon-Soo Ha：撰写 – 初稿、调研、资金获取、概念构思。Suye Bae：撰写 – 初稿、调研、形式分析、概念构思。Sumin Lee：验证、调研。Daeun Jeong：验证、调研。Yunjeong Choi：可视化、验证、调研。Gahyun Baek：撰写 – 审阅与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究由韩国国立研究基金会通过教育部资助的基础科学研究计划支持（RS-2024-00461692），以及由科学技术信息通信部资助的韩国国立研究基金会支持（RS-2025-16068491）。
Geon-Soo Ha|Suye Bae|Sumin Lee|Daeun Jeong|Yunjeong Choi|Gahyun Baek
