淡水水华藻类经水热 - 碱预处理高效产甲烷：开启可再生能源新路径

为解决藻类用于甲烷生产时细胞壁阻碍及预处理研究不足问题，徐州研究人员开展相关研究，发现水热 - 碱预处理可大幅提高水华藻类甲烷产量，为可再生天然气生产提供新方向。

　　在能源领域，煤炭资源丰富但多数不可开采，不过它们却有了新的 “使命”—— 成为生产可再生天然气并实现碳封存的 “潜力股”。藻类，这种在自然界随处可见的生物，凭借其高效的太阳能转化能力，也被视为生物燃料的优质来源。特别是水华藻类，大量繁殖虽会引发水体污染等问题，却蕴含着巨大的能源开发价值。然而，藻类细胞壁就像一道 “坚固的城墙”，严重阻碍了细胞内有机物的溶解和水解，导致微生物转化效率低下，这成为藻类大规模用于甲烷生产的 “拦路虎”。同时，以往对藻类预处理的研究多聚焦单因素变量，多因素预处理条件及预处理对后续厌氧过程的影响尚不明确，这些问题限制了水华藻类在生物甲烷生产中的应用。

为了攻克这些难题，徐州的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了一系列实验，旨在评估水华藻类作为甲烷生产底物的潜力，并探究不同预处理方式对其产甲烷效果的影响。经过不懈努力，研究发现水热预处理和水热 - 碱预处理都能不同程度地提高甲烷产量，其中 0.2 mol/L NaOH、150 °C 加热 30 min 的预处理条件效果最佳，甲烷产量可提高 303.9%。这一成果为可再生天然气的生产开辟了新路径，有望缓解能源压力，助力实现碳中和目标。该研究成果发表在《Scientific Reports》期刊上。

在研究过程中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过正交试验设计，全面考察了处理温度、时间和碱性浓度等多因素对预处理效果的影响，有效减少了实验次数并提高了研究效率。利用傅里叶变换红外光谱（FT - IR）和场发射扫描电子显微镜（FE - SEM），对藻类样本预处理前后及生物降解后的结构和形态变化进行了细致分析。借助气相色谱（GC）对顶空气体进行检测，准确监测甲烷产量。同时，运用高通量测序技术分析微生物群落结构，深入探究预处理对微生物的影响。

下面来看具体的研究结果：

• 化学需氧量（COD）分析：水热预处理后，所有样本的 COD 均有所增加，且与预处理时间呈正相关，100°C 预处理的样本 COD 值更高。水热 - 碱预处理的 COD 结果则有增有减，NaOH 浓度对其影响最大，且 COD 随 NaOH 浓度增加而降低。这表明两种预处理方式对藻类细胞结构的破坏程度不同，进而影响了细胞内物质的释放和溶解。
• 甲烷生产：水热预处理时，处理温度对最终产气率的影响与处理时间有关。短时间（30min）处理，产气率随温度升高而增加；长时间（60 和 90min）处理，高温则会降低产气率。水热 - 碱预处理中，NaOH 浓度对甲烷产量贡献最大，在 0.2 mol/L NaOH、30min、150°C 条件下，甲烷产量最高。通过 Gompertz 模型拟合发现，该模型能很好地描述气体产生过程，且水热 - 碱预处理的最大比产气率显著高于其他处理。这说明适宜的预处理条件能有效促进甲烷生成，提高产气效率。
• FE - SEM 分析：选取产甲烷量最高的样本进行 FE - SEM 分析，发现预处理后藻类表面粗糙度增加，水热预处理使其表面形成细孔结构，水热 - 碱预处理则使其呈鳞片状结构。碱处理后藻类残留量少，表明产甲烷的主要成分在液体部分。这意味着预处理改变了藻类的微观结构，有利于微生物与藻类的相互作用，促进甲烷产生。
• FT - IR 分析：FT - IR 分析显示，水热 - 碱预处理样本中还原糖、酸、醇和蛋白质的溶解增加，且出现了其他样本没有的特征峰，表明该预处理方式释放了更多可生物降解的部分。产气后，样本中相关化合物的峰强度降低，说明微生物利用了这些物质。这进一步证明了预处理对藻类成分的影响，以及微生物在甲烷生产过程中的作用。
• VFAs 和 pH 分析：预处理改变了藻类的化学组成，水热 - 碱预处理样本的总 VFAs 含量最高。所有样本在培养初期 pH 均下降，但产甲烷菌未受抑制，后期 VFAs 被消耗，pH 升高。这表明预处理后的藻类更易被微生物利用，产生的 VFAs 在后续过程中被转化，影响了体系的 pH 值和甲烷产量。
• 微生物分析：对不同预处理样本和原始接种物进行微生物分析，发现处理后的样本中细菌和古菌的多样性降低，水解和产酸细菌更具适应性。在水热 - 碱预处理样本中，Macellibacteroides 和 Klebsiella 成为优势菌属，参与酸生产过程。古菌群落中，Methanobacterium 在甲烷生产中起主要作用。这揭示了预处理对微生物群落结构的影响，以及优势微生物在甲烷生成过程中的关键作用。

研究结论和讨论部分指出，水热 - 碱预处理在甲烷生产方面比水热预处理更具优势。水热 - 碱预处理不仅能有效破坏藻类细胞结构，促进细胞内物质溶解，还能减少 VFAs 损失，减缓 pH 下降，有利于产甲烷菌生长。虽然利用藻类生产甲烷面临 pH 调控和能量消耗等挑战，但研究中发现的适宜预处理条件在工业规模应用中具有潜力。在藻类获取方面，可综合利用湖泊中的水华藻类和露天池塘培养的藻类，既满足生产需求，又能解决水华污染问题。这一研究成果为利用水华藻类生产可再生天然气提供了理论依据和实践指导，对推动能源领域的可持续发展具有重要意义。