出品：科普中國

作者：李偉明（中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

當(dāng)前，全球正努力尋求化石燃料的替代能源，共同應(yīng)對氣候變化，而氫能則在這一過程中扮演著越來越重要的角色。氫能，因其燃燒產(chǎn)物主要是水，具有清潔、高效的優(yōu)勢而被寄予厚望，是備受關(guān)注的“未來能源”。然而，一個現(xiàn)實(shí)的問題也亟待解決：如何才能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地大規(guī)模生產(chǎn)氫氣？

近期，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所賈永鋒研究員團(tuán)隊(duì)通過揭示生物炭緩解發(fā)酵產(chǎn)氫過程產(chǎn)物抑制的三種機(jī)制，為高效制氫提供了新的路徑參考。那么，生物炭是什么？它又是如何在制氫過程中大顯身手的呢？

氫氣能源

（圖片來源：veer圖庫）

暗發(fā)酵制氫的“絆腳石”與“制勝法寶”

在認(rèn)識生物炭之前，我們首先需要了解一種利用微生物的“暗發(fā)酵制氫”技術(shù)。簡單來說，這種技術(shù)就是讓特定的微生物“吃掉”有機(jī)廢物（比如農(nóng)業(yè)秸稈、廚余垃圾、污水污泥等），在無光照的條件下，通過自身的代謝活動將這些廢物轉(zhuǎn)化為氫氣。這個過程不僅處理了廢棄物，還生產(chǎn)了清潔能源，一舉兩得。

然而，這條路在實(shí)踐中走得并不平坦。微生物在辛勤工作的同時，會產(chǎn)生一些副產(chǎn)品，主要是揮發(fā)性脂肪酸（比如丁酸）和醇類（比如乙醇）。這些物質(zhì)積累過多，反而會“毒害”微生物自身，抑制它們的活性和產(chǎn)氫效率，導(dǎo)致整個過程難以持續(xù)。這種現(xiàn)象被稱為“產(chǎn)物抑制”，是限制暗發(fā)酵制氫效率和穩(wěn)定性的一個主要障礙。

為了解決這個“生產(chǎn)煩惱”，科學(xué)家們將目光投向了一種看似普通的材料——生物炭。

提到“炭”，我們可能首先想到的是燒烤用的木炭，但生物炭（Biochar）并非與之完全相同。生物炭是指將生物質(zhì)，如木材、秸稈、稻殼、動物糞便等有機(jī)材料，在缺氧或低氧條件下進(jìn)行高溫?zé)峤猓ㄍǔＴ?00-700℃）后得到的一種富含碳、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的多孔固體。可以把它理解為一種經(jīng)過特殊加工的“炭”。

農(nóng)業(yè)廢棄物制成的生物炭

（圖片來源：veer圖庫）

生物炭的關(guān)鍵特性在于：

第一，原料來源廣，成本相對較低：大多利用廢棄生物質(zhì)；

第二，高度多孔，比表面積（總表面積與體積的比值）巨大：內(nèi)部像海綿一樣布滿微孔，提供了巨大的反應(yīng)或附著空間；

第三，性質(zhì)穩(wěn)定：不易分解，可以在環(huán)境中長期存在，有助于碳封存。

生物炭：一種材料，三項(xiàng)“大招”

這種源于有機(jī)廢棄物的材料，是如何幫助微生物在制氫過程中克服“產(chǎn)物抑制”難題的呢？我們團(tuán)隊(duì)揭示了它的三重作用機(jī)制。

1.pH緩沖：維持微生物的“舒適區(qū)”

暗發(fā)酵過程中，有機(jī)酸的不斷產(chǎn)生會導(dǎo)致發(fā)酵環(huán)境的pH值（衡量酸堿度的指標(biāo)）持續(xù)下降，變得越來越酸。大多數(shù)參與產(chǎn)氫的微生物對酸性環(huán)境非常敏感，pH過低會嚴(yán)重影響其生理活動。

生物炭，特別是某些原料（如富含礦物質(zhì)的秸稈）制成的生物炭，其本身含有一些堿性物質(zhì)（如碳酸鉀、碳酸鈣）。這些物質(zhì)能夠中和掉發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酸，起到pH緩沖的作用，即抵抗pH值的劇烈變化，努力將發(fā)酵環(huán)境維持在一個對微生物相對友好的pH范圍內(nèi)。這對于微生物保持活性至關(guān)重要。

小貼士：pH是衡量酸堿度的指標(biāo)，7為中性，低于7為酸性，高于7為堿性。緩沖作用就是維持pH相對穩(wěn)定的能力。

2.吸附抑制物：移除“有害垃圾”

生物炭的多孔結(jié)構(gòu)和巨大比表面積賦予了它良好的吸附（Adsorption）能力。它可以像活性炭一樣，將發(fā)酵液中積累的、對微生物有毒害作用的代謝副產(chǎn)物（如過量的有機(jī)酸和乙醇）吸附到自身的表面和孔隙中。

通過這種方式，生物炭能夠有效降低這些抑制物在發(fā)酵液中的游離濃度，從而減輕它們對微生物的直接毒害，緩解產(chǎn)物抑制效應(yīng)。

小貼士：吸附，指物質(zhì)（如抑制物）附著在另一物質(zhì)（如生物炭）表面的現(xiàn)象。

3.微生物固定化：提供“定居點(diǎn)”

除了吸附，生物炭粗糙多孔的表面還是微生物理想的附著場所。微生物可以“定居”在生物炭上，形成一層生物膜（Biofilm）。相比于懸浮在液體中“漂泊”的微生物，附著生長形成的生物膜群落通常具有更強(qiáng)的組織性和對外界環(huán)境脅迫（如高濃度抑制物）的耐受性。

生物炭通過提供這種“定居點(diǎn)”，幫助微生物更好地適應(yīng)和抵抗不利環(huán)境，維持較高的生物量和活性，從而促進(jìn)產(chǎn)氫過程的穩(wěn)定進(jìn)行。這被稱為微生物固定化或細(xì)胞定植。

生物炭掃描電鏡圖

（圖片來源：作者拍攝）

“大招”使用策略：隨機(jī)應(yīng)變，見招拆招

有趣的是，生物炭雖然在這三個方面都能發(fā)揮作用，但其效果和主要作用方式會根據(jù)發(fā)酵類型的不同而變化。暗發(fā)酵主要可分為兩大類：以產(chǎn)生丁酸等有機(jī)酸為主的“丁酸型發(fā)酵”和以產(chǎn)生乙醇為主的“乙醇型發(fā)酵”。研究數(shù)據(jù)表明：

在丁酸型發(fā)酵中，生物炭效果顯著。對于發(fā)酵自身產(chǎn)生的酸（內(nèi)源性抑制），添加生物炭后氫氣產(chǎn)量提高了約145.7%；即使對于額外添加的酸（外源性抑制），氫氣產(chǎn)量也能提升約64.9%。機(jī)制分析顯示，在這種情況下，pH緩沖是主導(dǎo)機(jī)制，貢獻(xiàn)率高達(dá)42.9%。這不難理解，因?yàn)槎∷嵝桶l(fā)酵最大的問題就是酸積累，生物炭的“中和”能力正好“對癥下藥”。

在乙醇型發(fā)酵中，生物炭效果相對溫和。對內(nèi)源性和外源性乙醇抑制的緩解，氫氣產(chǎn)量提升分別約為10.5%和18.1%。此時，生物炭的微生物固定化機(jī)制的貢獻(xiàn)更為突出，達(dá)到32.4%。這可能是因?yàn)橐掖急旧韺H的影響較小，不需要緩沖，而生物炭提供的“庇護(hù)所”能有效增強(qiáng)微生物對乙醇的耐受性。

這一發(fā)現(xiàn)提示我們，對生物炭的利用不能“一刀切”。需要根據(jù)具體的發(fā)酵過程特點(diǎn)（主要是抑制物類型）來理解和優(yōu)化生物炭的作用。

從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用場：制氫技術(shù)的進(jìn)階之路

這項(xiàng)研究的意義不僅在于揭示了生物炭的作用原理，更在于它為制氫技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用與發(fā)展提供了指導(dǎo)。

優(yōu)化生物炭制備與改性：了解了不同機(jī)制的重要性差異，能夠有針對性地調(diào)整生物炭的性質(zhì)。例如，針對產(chǎn)酸多的發(fā)酵，可以選用富含堿性礦物質(zhì)的原料或在后處理中添加碳酸鹽來強(qiáng)化生物炭的pH緩沖能力；針對需要提高微生物耐受性的情況，可以調(diào)控生物炭的孔結(jié)構(gòu)以利于微生物附著。

推動暗發(fā)酵制氫技術(shù)發(fā)展：產(chǎn)物抑制是該技術(shù)走向規(guī)模化的主要瓶頸之一。生物炭提供了一種低成本、環(huán)境友好的解決方案，對生物炭在發(fā)酵產(chǎn)氫過程中產(chǎn)物抑制機(jī)制的深入研究有助于加速技術(shù)成熟和應(yīng)用，提高氫氣回收效率。

促進(jìn)“變廢為寶”：利用廢棄生物質(zhì)生產(chǎn)生物炭，再用生物炭輔助處理有機(jī)廢物并生產(chǎn)氫能，形成了一個資源循環(huán)利用的鏈條，促進(jìn)資源的可持續(xù)利用。

生物炭，這種由常見有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化而來的黑色多孔材料，以其獨(dú)特的多重功能，在解決發(fā)酵制氫的“產(chǎn)物抑制”這一關(guān)鍵難題中扮演著重要角色。它通過穩(wěn)定環(huán)境、吸附“毒物”、提供“住所”等方式，幫助微生物更高效地產(chǎn)氫。此研究不僅為高效制氫提供了現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)，也提示我們，解決復(fù)雜的科學(xué)和工程問題，有時需要我們關(guān)注那些看似平凡卻蘊(yùn)含潛力的材料。

生物炭的故事，或許才剛剛開始。未來，我們團(tuán)隊(duì)可能還會進(jìn)一步探索如何將生物炭與其他技術(shù)（如基因工程改造菌種）相結(jié)合，以期達(dá)到更好的制氫效果。