氫能作為一種清潔、碳中性、可再生的能源載體，在應(yīng)對全球氣候變化挑戰(zhàn)中展現(xiàn)出巨大潛力。暗發(fā)酵制氫是一種利用微生物將有機(jī)廢物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為氫氣的綠色技術(shù)，具有無需外部能源、反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)氫速率高以及底物范圍廣等優(yōu)勢。然而，暗發(fā)酵過程中產(chǎn)生的終產(chǎn)物如揮發(fā)性脂肪酸和醇類會對微生物產(chǎn)生抑制作用，這是限制暗發(fā)酵制氫長期高效運行的主要挑戰(zhàn)之一。生物炭作為一種可再生且低成本的材料，被證明能有效緩解暗發(fā)酵中的產(chǎn)物抑制。生物炭通過pH緩沖、細(xì)胞定植和抑制物吸附等多種機(jī)制發(fā)揮作用，其在不同發(fā)酵類型(如丁酸型和乙醇型發(fā)酵)中的緩解效果和機(jī)制貢獻(xiàn)各不相同。了解生物炭緩解產(chǎn)物抑制的機(jī)制及其在不同發(fā)酵類型中的作用差異，對于優(yōu)化暗發(fā)酵制氫工藝、提高氫能回收效率具有重要意義。

本研究首次全面展示了生物炭在不同類型氫氣發(fā)酵過程中對產(chǎn)物抑制的緩解效果，并量化了各緩解途徑的貢獻(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭在丁酸型發(fā)酵中比乙醇型發(fā)酵中表現(xiàn)出更強(qiáng)的緩解產(chǎn)物抑制能力。在丁酸型發(fā)酵面臨內(nèi)源性和外源性揮發(fā)性酸抑制時，生物炭分別使氫氣產(chǎn)量提高了145.74%和64.95%;而在乙醇型發(fā)酵中，生物炭對內(nèi)源性和外源性乙醇抑制的緩解效果分別為10.53%和18.09%。機(jī)制分析揭示，生物炭通過三種主要途徑緩解產(chǎn)物抑制：pH緩沖、細(xì)胞定植和抑制物吸附，其中各途徑的相對貢獻(xiàn)因發(fā)酵類型而異。在丁酸型發(fā)酵中，pH緩沖是主要機(jī)制，貢獻(xiàn)率達(dá)42.9%，這主要歸功于生物炭中的碳酸鹽(如K2CO3和CaCO3)中和揮發(fā)酸的能力。而在乙醇型發(fā)酵中，細(xì)胞定植占主導(dǎo)地位，貢獻(xiàn)率為32.4%，這增強(qiáng)了細(xì)胞對積累代謝產(chǎn)物的耐受性。雖然生物炭對揮發(fā)酸的吸附能力有限，但仍在一定程度上降低了抑制物濃度。本研究首次量化了生物炭在不同發(fā)酵類型中緩解產(chǎn)物抑制的多種途徑，闡明了生物炭在暗發(fā)酵中的多功能作用，為優(yōu)化生物炭特性以提高氫氣產(chǎn)量提供了重要策略，同時也為從生物質(zhì)中提高氫能回收效率提供了實用方法。

研究結(jié)果近日以“Quantitative analysis of the mechanism of biochar in alleviating product inhibition in different fermentative hydrogen production processes”為題目發(fā)表于Biochar雜志。中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所李偉明研究員為第一作者，大連理工大學(xué)程馳副教授與沈陽生態(tài)所曾祥峰研究員為通訊作者。該研究得到了重點研發(fā)計劃(2024YFD1501303)、國家自然科學(xué)基金(42477248,52200041)、中國科學(xué)院人才計劃、遼寧省優(yōu)青項目(2024JH3/10200025)、興遼英才計劃(XLYC2007192)與青促會項目的資助。

圖1 生物炭對丁酸型發(fā)酵和乙醇發(fā)酵產(chǎn)物抑制的緩解作用

圖2 生物炭對暗發(fā)酵中液相產(chǎn)物的吸附效應(yīng)

圖3 生物炭的pH緩沖效應(yīng)。(a)生物炭在發(fā)酵前后的pH水平和碳酸鹽含量。(b)生物炭及ABC的pH緩沖能力。(c)在不同發(fā)酵類型中，ABC對減輕產(chǎn)物抑制的影響。CaCO3在(d)丁酸鹽型發(fā)酵和(e)乙醇型發(fā)酵中的作用。NC：陰性對照。BC：生物炭。

圖4 生物炭的細(xì)胞固定化效果。生物炭的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像：a、c 為發(fā)酵前。b、d 為發(fā)酵后。e，生物炭處理發(fā)酵中的細(xì)胞分布。物理分隔細(xì)胞與生物炭在丁酸鹽型發(fā)酵(f)和乙醇型發(fā)酵(g)的影響。

圖5 生物炭在不同發(fā)酵類型中緩解產(chǎn)品抑制的多重機(jī)制的定量研究