我国是世界第一秸秆大国，平均每年产生农作物秸秆超过 7 亿吨。虽然秸秆的资源化利用技术在不断发展，但仍然有大量的秸秆废弃物被就地焚烧、填埋。这样的粗放处理方式不仅造成了环境污染，而且导致了生物质资源的浪费。秸秆中蕴含着大量可被转化的生物质（半纤维素、纤维素等），它们经厌氧消化后可转化为生物天然气，实现秸秆的 “变废为宝”。

然而，秸秆厌氧消化系统甲烷产率较低长期以来都是制约该技术规模化应用的重要因素。近来，一些研究者发现活性炭的添加可以显著提升厌氧消化系统的产气性能，且在废水、餐厨、果蔬垃圾的处理中均取得成功应用。但也有一些研究者提出活性炭的添加反而会抑制甲烷的生成。

为全面探究活性炭对秸秆厌氧消化系统的影响，中国科学院成都生物研究所博士研究生解智杰在李东研究员的指导下，分别构建了中温和高温两套秸秆厌氧消化系统，并综合评价了活性炭对不同系统的生物和非生物影响。结果显示，相同剂量的活性炭（10g/L）在不同温度下对秸秆厌氧消化系统的甲烷产率产生了截然不同的影响。其中高温条件下，活性炭的存在不仅促进了秸秆的降解，而且提高了系统的甲烷产率；而中温条件下，添加活性炭虽然使秸秆的降解率提高了6.48%，但却使系统的甲烷产率降低了8.16%。针对“相同剂量活性炭在不同温度下产生了不同作用效果”以及“中温系统秸秆降解率提高但甲烷产率降低”这两个矛盾现象，提出了“中温条件下活性炭对碳源物质的吸附是造成系统甲烷产率降低的重要原因”这一科学假说。最终通过脱附实验及微生物群落分析验证了该假说并阐明了其生物及非生物机理。研究表明，中温系统中活性炭对碳源（CO2、挥发性脂肪酸）物质的吸附使得氢型产甲烷菌的底物显著减少，进而使得系统产甲烷代谢通路发生了显著变化。此外，活性炭在中温条件下对Bathyarchaeia（可利用甲烷进行产能代谢）的诱导也是系统甲烷产率降低的重要原因。而同样剂量活性炭对高温系统产气表现出促进的机理在于：活性炭在高温条件下吸附能力较弱，未诱导产生Bathyarchaeia以及更加集中的碳代谢流向甲烷。该研究将活性炭对不同温度下秸秆厌氧消化过程的影响进行了综合评估，进一步针对实验中出现的两个矛盾现象进一步进行了深入分析研究并揭示了其内在机理，为该技术的规模化应用提供了理论和技术支撑。

本研究得到了国家重点研发计划课题(2019YFD1100603)、四川省科技计划项目（2020ZHZY0008，2020ZYD022，2021ZHZY0016）、中科院“西部之光”项目(2018XBZG_XBQNXZ_A_004, 2019XBZG_JCTD_ZDSYS_001)、中国科学院青年创新促进会等的支持。研究成果以博士研究生解智杰为第一作者、李东研究员为通讯作者发表在Bioresource Technology期刊上。

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活性炭对秸秆厌氧消化系统的生物和非生物影响