Graphitized biochar derived from agricultural wastes enhances methanogenesis via conductivity-driven direct interspecies electron transfer
农业废弃物制备的石墨化生物炭通过电导率介导的种间直接电子传递强化产甲烷作用
生物炭已成为促进厌氧消化（AD）中直接种间电子转移（DIET）的有前景的导体，但其结构特征与产甲烷性能之间的联系机制尚不清楚。因此，该实验探究了原料类型和热解条件如何调节生物炭的电导率，从而形成产甲烷途径。使用秸秆、木材和果壳衍生的生物炭，在550°C下热解的果壳生物炭（CC550）被证明可以实现最高的甲烷产量，与对照组相比，产量提高了59%，分别比秸秆和木质生物炭高出12%和5%。石墨化分析证实，高电导率是加速甲烷生成的关键。宏基因组分析显示，CC550丰富了纤维素降解细菌和DIET相关分类群，同时上调了与菌毛和细胞色素c表达相关的基因，通过增强电子流促进了乙酸分解甲烷的产生。这些发现突出了石墨生物炭作为AD代谢调节剂的作用，并为工程碳材料优化有机废物中的生物能源回收提供了见解。
图 1 添加生物炭对厌氧消化过程中甲烷生成及挥发性脂肪酸的影响。a) 不同生物炭原料中半纤维素、纤维素和木质素的含量。b - d) 稻草、木材、坚果壳生物炭的每日甲烷生成量、甲烷含量。e) 稻草、木材和坚果壳生物炭在第 26 天的累积甲烷生成量。f - i) 对照组、稻草、木材和坚果壳生物炭随时间的变化的 pH 值和挥发性脂肪酸含量。
为探究不同原料生物炭对厌氧消化产甲烷性能的调控作用，作者比较了核桃壳、木材与秸秆的木质素含量，并系统分析了甲烷产量、挥发性脂肪酸（VFA）代谢与pH动态之间的关联。结果如图1所示，原料木质素含量依次为核桃壳（43.3%）> 木材（28.2%）> 秸秆（17.5%），与其所制备生物炭促进甲烷生成的效果一致。其中，CC550的累积产气量最高，达62.5 mL/g挥发性固体，较对照组提升59.3%。同时，CC550能有效缓解酸抑制，将系统酸缓冲完成时间提前2天，维持更稳定的pH环境，并加速乙酸与丁酸的消耗，使系统滞后期缩短2天。这表明高木质素生物炭可显著增强体系缓冲能力，促进有机酸转化与甲烷生成，从而提高厌氧消化的效率与运行稳定性。
图 2 添加生物炭后，与阿尔茨海默病相关的多样性指数、微生物群落组成、主成分分析以及共现网络情况。a)使用香农指数和辛普森指数计算多样性指数。采用 t 检验来评估阿尔茨海默病（AD）在高峰期和末期之间群落的差异。b) 主成分分析反映了微生物群落的差异。绿色代表乙酸生成阶段，紫色表示甲烷生成阶段。c) AD 中的微生物群落组成。使用基于欧几里得距离的完全连接的层次聚类对样本进行聚类。d) 微生物的共现网络。
为阐明生物炭对厌氧消化系统微生物群落及功能演替的影响，作者通过高通量测序解析了不同原料生物炭处理下细菌与古菌群落的动态变化。结果表明（图2），生物炭的添加显著提高了微生物多样性，香农指数上升而辛普森指数下降，表明群落由单一优势种向多物种共存转变。在产甲烷阶段，CC550处理显著富集了乙酸型产甲烷菌（72.9%）和氢营养型产甲烷菌（16.5%），其效果明显优于其他处理。该生物炭发达的孔隙结构（BET > 17 m²/g）为功能微生物提供了良好的定殖环境。群落网络分析进一步揭示，高温生物炭增强了水解菌（如Ruminofilibacter）与产甲烷菌之间的互作关联，进而提升了系统的整体代谢效率。
图 3 添加生物炭后，AD 中的甲烷代谢存在差异。a) 不同样本在通路（1/2/3 级）、模块和 KO 中的丰度。b) 纤维素和 bglX 的最优分子对接模型，以及相互作用力的示意图。c) 半纤维素和 xynA 的最优分子对接模型，以及相互作用力的示意图。d) 甲烷代谢中 13 种显著表达的酶的酶活性。e) 甲烷代谢通路中的基因表达。f) 生物炭促进了 DIET 通路。
为阐明生物炭在厌氧消化过程中调控微生物代谢与电子传递的作用机制，作者通过宏基因组学分析，系统考察了不同生物炭处理下关键功能基因表达、代谢途径及种间互作网络的响应规律。结果表明（图3），CC550处理显著提升了甲烷代谢相关基因的丰度（增加1.03倍），促进了乙酸裂解产甲烷途径（贡献56.3%）以及丝氨酸循环等碳同化过程。其多孔结构同时增强了导电菌毛（mtrABC）和细胞色素（petA/B、cycA）基因的表达（最高上调2.36倍），进而推动微生物间DIET，该过程的电子传递速率较传统氢传递快8.57倍。此外，该生物炭还通过激活木质纤维素水解酶基因（bglX、xynA），进一步优化了底物降解效率。
图 4 改性生物炭的产甲烷作用及导电特性研究。a) 改性生物炭的日产甲烷量。b - d) 改性生物炭的拉曼光谱。e - g) 改性生物炭的晶体石墨状 HRTEM 图像。h) 生物炭和改性生物炭的电子能量谱。i) 生物炭和改性生物炭的 DOS 分析。j) 生物炭和改性生物炭对细胞色素 C 的吸附能。
为阐明硼改性生物炭的石墨化结构对厌氧消化产甲烷的促进机制，作者比较了不同热解温度下硼改性生物炭的甲烷生成性能，并结合电导率测试、高分辨率透射电子显微镜与拉曼光谱对其结构与导电性进行了系统分析。结果表明（图4），中温硼改性生物炭（BCC550）的累积甲烷产量最高，达51 mL/g挥发性固体，显著优于高温及未改性材料。电导率与甲烷产量呈显著正相关，但与碱度无关，表明电子传导能力是调控产甲烷的关键因素。结构表征进一步显示，改性生物炭具有更高的石墨化程度和分级孔隙结构，为电活性产甲烷菌（如甲烷杆菌）提供了电子传递通道与定植微环境。
图 5. 与沧州沼气厂相比，采用 AD 技术在经济和环境方面均具有显著优势。
为评估核桃壳生物炭在厌氧消化过程中的环境与经济效益，本研究系统分析了该技术的可持续性，并对全球变暖潜能、净能源利用率及投资回收期等指标进行了综合评价。结果表明（图5），添加核桃壳生物炭可使系统全球变暖潜能降低59.7%，净能源利用率提升至10.6%（对照组仅为3.3%），同时显著提高经济效益，利润增加约11倍，投资回收期缩短至34天。在大规模应用情景下，该技术能够大幅提升沼气系统的年产量。
1.研究结果表明，果壳生物炭的甲烷产量最高（194.5 mL·g⁻¹ VS），其次是木材（185.1 mL·g⁻¹ VS）和秸秆生物炭（173.6 mL·g⁻¹ VS）。重要的是，木质素含量与甲烷产量的增加呈强正相关（R2=0.91，p<0.05），这表明原料中纤维素、半纤维素和木质素在结构和热解特性上的差异可能是导致这种现象的原因。
2.宏基因组学结果表明，在重建了甲烷生成和碳同化途径后，发现该AD系统中主要存在乙酰碎屑甲烷生成、乙酰辅酶A途径、丝氨酸途径和Ribuloae-P途径的酶基因。其中，乙酸碎屑产甲烷酶基因（pta、ackA和acs）的丰度显著增加。
3.微生物可通过加速乙酸降解、通过糖酵解、丙酮酸代谢途径和高传导性DIET途径调节乙酸碎屑甲烷生成来实现稳定的CH4生产。值得注意的是，这一过程被证明比标准AD系统更高效、更环保。与对照组相比，果壳生物炭将全球变暖潜势排放量降低了60%。
4.首次明确驱动生物炭增强AD产甲烷的关键因素。这些发现不仅减轻了水解酸化抑制，优化了消化过程，而且在减少污染和经济效益方面具有显著优势。值得注意的是，这种方法具有很强的可扩展性和巨大的经济潜力，使其对全球从事农业废物资源利用的设施具有重要价值。
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202508739
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