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氫能作為一種清潔、碳中性、可再生的能源載體，在應對全球氣候變化挑戰中展現出巨大潛力。暗發酵制氫是一種利用微生物將有機廢物中的化學能轉化為氫氣的綠色技術，具有無需外部能源、反應條件溫和、產氫速率高以及底物范圍廣等優勢。然而，暗發酵過程中產生的終產物如揮發性脂肪酸和醇類會對微生物產生抑制作用，這是限制暗發酵制氫長期高效運行的主要挑戰之一。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酵中的產物抑制。生物炭通過pH緩沖、細胞定植和抑制物吸附等多種機制發揮作用，其在不同發酵類型(如丁酸型和乙醇型發酵)中的緩解效果和機制貢獻各不相同。了解生物炭緩解產物抑制的機制及其在不同發酵類型中的作用差異，對于優化暗發酵制氫工藝、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酵過程中對產物抑制的緩解效果，并量化了各緩解途徑的貢獻。研究發現，生物炭在丁酸型發酵中比乙醇型發酵中表現出更強的緩解產物抑制能力。在丁酸型發酵面臨內源性和外源性揮發性酸抑制時，生物炭分別使氫氣產量提高了145.74%和64.95%;而在乙醇型發酵中，生物炭對內源性和外源性乙醇抑制的緩解效果分別為10.53%和18.09%。機制分析揭示，生物炭通過三種主要途徑緩解產物抑制：pH緩沖、細胞定植和抑制物吸附，其中各途徑的相對貢獻因發酵類型而異。在丁酸型發酵中，pH緩沖是主要機制，貢獻率達42.9%，這主要歸功于生物炭中的碳酸鹽(如K2CO3和CaCO3)中和揮發酸的能力。而在乙醇型發酵中，細胞定植占主導地位，貢獻率為32.4%，這增強了細胞對積累代謝產物的耐受性。雖然生物炭對揮發酸的吸附能力有限，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酵類型中緩解產物抑制的多種途徑，闡明了生物炭在暗發酵中的多功能作用，為優化生物炭特性以提高氫氣產量提供了重要策略，同時也為從生物質中提高氫能回收效率提供了實用方法。

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

圖1 生物炭對丁酸型發酵和乙醇發酵產物抑制的緩解作用

圖2 生物炭對暗發酵中液相產物的吸附效應

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

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

圖5 生物炭在不同發酵類型中緩解產品抑制的多重機制的定量研究