出品：科普中國

作者：李偉明（中國科學院沈陽應用生態研究所）

監制：中國科普博覽

當前，全球正努力尋求化石燃料的替代能源，共同應對氣候變化，而氫能則在這一過程中扮演著越來越重要的角色。氫能，因其燃燒產物主要是水，具有清潔、高效的優勢而被寄予厚望，是備受關注的“未來能源”。然而，一個現實的問題也亟待解決：如何才能穩定、經濟地大規模生產氫氣？

近期，中國科學院沈陽應用生態研究所賈永鋒研究員團隊通過揭示生物炭緩解發酵產氫過程產物抑制的三種機制，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）

暗發酵制氫的“絆腳石”與“制勝法寶”

在認識生物炭之前，我們首先需要了解一種利用微生物的“暗發酵制氫”技術。簡單來說，這種技術就是讓特定的微生物“吃掉”有機廢物（比如農業秸稈、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化為氫氣。這個過程不僅處理了廢棄物，還生產了清潔能源，一舉兩得。

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

為了解決這個“生產煩惱”，科學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，如木材、秸稈、稻殼、動物糞便等有機材料，在缺氧或低氧條件下進行高溫熱解（通常在300-700℃）后得到的一種富含碳、結構穩定的多孔固體。可以把它理解為一種經過特殊加工的“炭”。

農業廢棄物制成的生物炭

（圖片來源：veer圖庫）

生物炭的關鍵特性在于：

第一，原料來源廣，成本相對較低：大多利用廢棄生物質；

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

第三，性質穩定：不易分解，可以在環境中長期存在，有助于碳封存。

生物炭：一種材料，三項“大招”

這種源于有機廢棄物的材料，是如何幫助微生物在制氫過程中克服“產物抑制”難題的呢？我們團隊揭示了它的三重作用機制。

1.pH緩沖：維持微生物的“舒適區”

暗發酵過程中，有機酸的不斷產生會導致發酵環境的pH值（衡量酸堿度的指標）持續下降，變得越來越酸。大多數參與產氫的微生物對酸性環境非常敏感，pH過低會嚴重影響其生理活動。

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

小貼士：pH是衡量酸堿度的指標，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相對穩定的能力。

2.吸附抑制物：移除“有害垃圾”

生物炭的多孔結構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，將發酵液中積累的、對微生物有毒害作用的代謝副產物（如過量的有機酸和乙醇）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，緩解產物抑制效應。

小貼士：吸附，指物質（如抑制物）附著在另一物質（如生物炭）表面的現象。

3.微生物固定化：提供“定居點”

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的組織性和對外界環境脅迫（如高濃度抑制物）的耐受性。

生物炭通過提供這種“定居點”，幫助微生物更好地適應和抵抗不利環境，維持較高的生物量和活性，從而促進產氫過程的穩定進行。這被稱為微生物固定化或細胞定植。

生物炭掃描電鏡圖

（圖片來源：作者拍攝）

“大招”使用策略：隨機應變，見招拆招

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

在丁酸型發酵中，生物炭效果顯著。對于發酵自身產生的酸（內源性抑制），添加生物炭后氫氣產量提高了約145.7%；即使對于額外添加的酸（外源性抑制），氫氣產量也能提升約64.9%。機制分析顯示，在這種情況下，pH緩沖是主導機制，貢獻率高達42.9%。這不難理解，因為丁酸型發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”。

在乙醇型發酵中，生物炭效果相對溫和。對內源性和外源性乙醇抑制的緩解，氫氣產量提升分別約為10.5%和18.1%。此時，生物炭的微生物固定化機制的貢獻更為突出，達到32.4%。這可能是因為乙醇本身對pH的影響較小，不需要緩沖，而生物炭提供的“庇護所”能有效增強微生物對乙醇的耐受性。

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

從實驗室到應用場：制氫技術的進階之路

這項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的實際應用與發展提供了指導。

優化生物炭制備與改性：了解了不同機制的重要性差異，能夠有針對性地調整生物炭的性質。例如，針對產酸多的發酵，可以選用富含堿性礦物質的原料或在后處理中添加碳酸鹽來強化生物炭的pH緩沖能力；針對需要提高微生物耐受性的情況，可以調控生物炭的孔結構以利于微生物附著。

推動暗發酵制氫技術發展：產物抑制是該技術走向規模化的主要瓶頸之一。生物炭提供了一種低成本、環境友好的解決方案，對生物炭在發酵產氫過程中產物抑制機制的深入研究有助于加速技術成熟和應用，提高氫氣回收效率。

促進“變廢為寶”：利用廢棄生物質生產生物炭，再用生物炭輔助處理有機廢物并生產氫能，形成了一個資源循環利用的鏈條，促進資源的可持續利用。

生物炭，這種由常見有機廢棄物轉化而來的黑色多孔材料，以其獨特的多重功能，在解決發酵制氫的“產物抑制”這一關鍵難題中扮演著重要角色。它通過穩定環境、吸附“毒物”、提供“住所”等方式，幫助微生物更高效地產氫。此研究不僅為高效制氫提供了現實指導，也提示我們，解決復雜的科學和工程問題，有時需要我們關注那些看似平凡卻蘊含潛力的材料。

生物炭的故事，或許才剛剛開始。未來，我們團隊可能還會進一步探索如何將生物炭與其他技術（如基因工程改造菌種）相結合，以期達到更好的制氫效果。