近日，西北农林科技大学生物质能源与材料交叉研究中心姚义清教授团队揭示生物质衍生石墨化生物炭驱动的种间直接电子转移增强产甲烷作用。2025年8月4日，研究结果在线发表于《Advanced Science》期刊。
生物炭作为促进厌氧发酵（AD）中直接种间电子传递（DIET）的载体，其结构特征与产甲烷性能之间的关联机制仍不明确。本研究通过分析原料类型和热解条件对生物炭导电性的影响，揭示了这些因素如何调控产甲烷通路。实验采用草本、木本及壳类生物炭，发现经550℃热解的壳类生物炭（CC550）产甲烷效率最高，较对照组提升59%，分别比草本和木本生物炭高出12%和5%。石墨化结构分析证实高导电性是加速产甲烷的关键。宏基因组分析显示，CC550显著富集纤维素降解菌群和DIET功能菌群，同时上调与菌毛及细胞色素c表达相关的基因，通过增强电子传递促进乙酸营养型产甲烷。这些发现不仅突出了石墨化生物炭在厌氧发酵中的代谢调节作用，也为优化生物能源回收提供了碳材料工程设计的新思路。
该研究结果表明：（i）含量通过调控生物炭石墨化结构决定AD性能，高度石墨化生物炭通过构建导电网络缩短DIET电子传递距离，同步缓解酸抑制并优化微生物群落功能；（ii）经测算，核桃壳生物炭使产能显著提升，温室气体排放降低59.7%，投资回收期缩短至34天。该研究为农业废弃物高值资源化提供了\"原料-结构-功能\"协同优化新策略。
Figure 4. Methane metabolism in AD difference by biochar addition.
Figure 6: Economic and environmental benefits enhanced AD compared to Cangzhou biogas plant.
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