小粒径，高性能：磁性生物炭粒径调控优化高固含量厌氧消化的微生物空间分布

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Small particle size, great performance: Regulating particle size of magnetic biochar optimizes microbial spatial distribution for high-solid anaerobic digestion

　　鸡粪高固含厌氧消化（HSAD）常受氨抑制和微生物失衡的制约，限制了其整体效率。本研究将基于稻壳的磁性生物炭（MBC）引入HSAD系统，探讨四种粒径（2–5 mm、0.2–0.9 mm、0.02–0.2 mm及0.002–0.02 mm）对厌氧消化效率和微生物行为的影响。结果表明，MBC的增强效果与粒径呈负相关。微米级MBC（0.002–0.02 mm）表现最佳：累计甲烷产量达到283.69 mL·g?1 VS，较对照组（207.62 mL·g?1 VS）提高36.64%，延滞期从23.66天显著缩短至7.97天。机制研究表明，小粒径MBC因其高分散性和比表面积，驱动微生物从"悬浮"态快速向"紧密附着"态转变，电子传递系统（ETS）活性增强。宏基因组分析进一步表明，小粒径MBC增强了种间直接电子传递（DIET），使Methanosarcina属的相对丰度增加超过25倍，将产甲烷途径从对氨敏感的CO?还原转变为热力学有利的甲基营养型途径。代谢预测显示，微米级MBC上调了丙酸和丁酸降解的关键酶基因。本研究提出了一种代谢网络调控机制，为设计用于有机废物处理的导电材料提供了理论依据。中国年畜禽粪便产量达38亿吨[1]。与猪粪和牛粪相比，鸡粪的总固体（TS）含量超过20%[2]。若未妥善处理，将对土壤和水资源造成严重污染，并释放温室气体[3]。因此，鸡粪的无害化处理和资源化利用已成为当务之急[4]。在"双碳"战略全面推进的背景下，直接还田或露天堆肥等传统方法易造成二次污染，已无法满足现代环保要求[5]。作为绿色技术，厌氧消化（AD）为畜禽粪便的资源化处置提供了有效途径[6]。其中，高固含厌氧消化技术（TS ≥ 15%）因具有高单位容积产气速率、低耗水量、能耗和沼渣产出量等优势，展现出良好的应用前景[7]。然而，鸡粪HSAD系统仍面临高黏度、固相传质阻力大及传质效率有限等问题[8]，易导致产酸菌与产甲烷古菌之间的代谢失衡，进而引起挥发性脂肪酸（VFAs）积累，并抑制功能微生物活性，最终导致基质降解不充分、产甲烷性能下降和系统不稳定，严重制约了其大规模工程化应用[2]。现有的缓解策略，如共消化[9]、物化脱氮[10]和生物强化[11]，仍面临处理能力有限、能耗高、环保性不足或易受工况波动影响等问题。种间电子传递是调控厌氧微生物互营代谢的核心机制[12]。传统的共生乙酸氧化（SAO）依赖于H?或甲酸作为电子载体在微生物群落间扩散；在高氨条件下，其效率易受氨毒性和热力学氢分压阈值的限制[13]。相比之下，DIET允许电活性细菌通过微生物纳米线（菌毛）或外源导电材料直接将电子传递给产甲烷古菌，显著提高了厌氧系统中的电子传递效率和基质降解速率[14]，[15]。生物炭（BC）兼具优异的电导性和氧化还原活性，是介导DIET的理想介质[16]，[17]。生物炭粒径预计通过至少两种机制影响DIET效率。首先，根据渗流理论，在给定质量投加量下，较小粒径可增加单位体积内的导电单元数量，从而促进超过渗流阈值后连续导电网络的形成。其次，较小粒径具有更大的比表面积，提高了生物炭与电活性微生物之间的接触概率，促进更高效的"菌体–材料–菌体"电连接。MBC不仅具有磁分离回收的实用优势，其含有的Fe(II)/Fe(III)循环还可进一步增强胞外电子传递效率，促进DIET过程[18]。现有研究已证实MBC的添加可改善AD的沼气产量性能，但大多数相关研究集中在优化MBC的投加量和改性方法上。例如，Ruan等[19]发现磁性极化生物炭可有效抑制氨氮积累，总甲烷产量提高49.0%，通过多种协同机制增强了AD性能。Wang等[20]通过Fe?O?处理生物炭，使餐厨废弃物产甲烷量提高了20.8%。然而，在非HSAD系统中，生物炭粒径已被证明会影响微生物活性和空间组织；而HSAD系统则存在显著差异，因为高固含、有限自由水及明显的局部异质性制约了颗粒迁移和微生物分散。很少有研究系统地探讨生物炭颗粒在高固含厌氧消化条件下如何影响微生物空间分布，大多数研究仅关注粒径差异引起的宏观分散和吸附性质表面变化。例如，He等[21]研究并比较了十种同源但不同粒径（5–5000 μm）的BC样品特征，并基于所有参数对BC进行了聚类分析和主成分分析。然而，很少有研究系统地探讨BC颗粒如何影响高固含系统中微生物的空间分布和生态组装，这种与粒径相关的微生物生态效应往往被忽视。为填补上述研究空白，本研究创新性地提出了粒径驱动微生物空间分布的调控策略，系统研究了四种不同粒径MBC对鸡粪HSAD系统的影响。本研究的具体目标如下：(i) 评估MBC粒径对鸡粪HSAD宏观性能的影响，包括产甲烷量、过程稳定性和基质降解；(ii) 揭示粒径驱动的沼渣内微生物空间再分配和导电网络形成机制；(iii) 阐明微生物群落和代谢途径层面的响应模式，从而明确MBC粒径调控DIET效率的内在机制。厌氧颗粒污泥购自安徽意万特环保科技有限公司。污泥初始总固体（TS）含量为8.06 ± 0.12%，挥发性固体（VS）含量为4.26 ± 0.08%（以鲜重计）。鸡粪采自河南省郑州市的一处养鸡场。鸡粪去除羽毛和石块等杂质后，在65°C下干燥，干燥后的鸡粪使用研磨机进行研磨。MBC粒径对主要AD性能指标的影响见图1。日均产甲烷量（图1a）在所有组中均出现三个峰值，但出现时间不同。第一个峰值出现在启动后前两天内，主要是由于系统中可溶性有机物的快速转化[27]。随后，由于TAN浓度升高和VFAs积累引起的抑制作用，产甲烷速率下降，系统……本研究存在若干局限性。首先，实验在15% TS条件下进行，处于湿/低固含厌氧消化的上边界。在此条件下，自由水相对充裕，有利于颗粒悬浮和微生物扩散。因此，本研究中观察到的细生物炭的促进作用可能无法直接外推到TS显著更高的系统。在更高TS条件下，水分分割现象更为明显，且……本研究系统揭示了MBC粒径对鸡粪HSAD性能的调控机制。结果表明MBC粒径与其增强效果之间呈显著负相关。微米级MBC（0.002–0.02 mm）表现最佳，累计产甲烷量提高了36.64%（达到283.69 mL·g?1 VS），延滞期从23.66天缩短至7.97天，优于对照组。机制研究表明，小粒径MBC因其……李晓勇：概念构思。李帅：可视化。杨少华：软件。王智：形式分析。刘东：方法论、调查。徐栋梁：方法论。蔡雅凡：监督。应寒杰：资源、项目管理。李诗茹：写作—审阅与编辑、写作—原稿撰写。陈永东：可视化。张悦：调查。王石磊：资源、方法论。胡小龙：写作—审阅与编辑。作者声明不存在任何可能影响本研究报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。本研究得到国家自然科学基金（52200178；22308338）、河南省科技重点项目（252102110055；262102111181）、中国河南省南阳市协同创新重点项目（21XTCX21001）以及国家绿色生物制造重点实验室开放项目（SKLGBMOPM20250005）的资助。李诗茹｜陈永东｜张悦｜王石磊｜胡小龙｜李晓勇｜李帅｜杨少华｜王智｜刘东｜徐栋梁｜蔡雅凡｜应寒杰材料科学与工程学院，中原关键金属实验室，郑州大学，科学大道100号，郑州 450001，中国