氢能作为一种清洁、碳中性、可再生的能源载体，在应对全球气候变化挑战中展现出巨大潜力。暗发酵制氢是一种利用微生物将有机废物中的化学能转化为氢气的绿色技术，具有无需外部能源、反应条件温和、产氢速率高以及底物范围广等优势。然而，暗发酵过程中产生的终产物如挥发性脂肪酸和醇类会对微生物产生抑制作用，这是限制暗发酵制氢长期高效运行的主要挑战之一。生物炭作为一种可再生且低成本的材料，被证明能有效缓解暗发酵中的产物抑制。生物炭通过pH缓冲、细胞定植和抑制物吸附等多种机制发挥作用，其在不同发酵类型(如丁酸型和乙醇型发酵)中的缓解效果和机制贡献各不相同。了解生物炭缓解产物抑制的机制及其在不同发酵类型中的作用差异，对于优化暗发酵制氢工艺、提高氢能回收效率具有重要意义。

　　本研究首次全面展示了生物炭在不同类型氢气发酵过程中对产物抑制的缓解效果，并量化了各缓解途径的贡献。研究发现，生物炭在丁酸型发酵中比乙醇型发酵中表现出更强的缓解产物抑制能力。在丁酸型发酵面临内源性和外源性挥发性酸抑制时，生物炭分别使氢气产量提高了145.74%和64.95%;而在乙醇型发酵中，生物炭对内源性和外源性乙醇抑制的缓解效果分别为10.53%和18.09%。机制分析揭示，生物炭通过三种主要途径缓解产物抑制：pH缓冲、细胞定植和抑制物吸附，其中各途径的相对贡献因发酵类型而异。在丁酸型发酵中，pH缓冲是主要机制，贡献率达42.9%，这主要归功于生物炭中的碳酸盐(如K2CO3和CaCO3)中和挥发酸的能力。而在乙醇型发酵中，细胞定植占主导地位，贡献率为32.4%，这增强了细胞对积累代谢产物的耐受性。虽然生物炭对挥发酸的吸附能力有限，但仍在一定程度上降低了抑制物浓度。本研究首次量化了生物炭在不同发酵类型中缓解产物抑制的多种途径，阐明了生物炭在暗发酵中的多功能作用，为优化生物炭特性以提高氢气产量提供了重要策略，同时也为从生物质中提高氢能回收效率提供了实用方法。

　　研究结果近日以“Quantitative analysis of the mechanism of biochar in alleviating product inhibition in different fermentative hydrogen production processes”为题目发表于Biochar杂志。中国科学院沈阳应用生态研究所李伟明研究员为第一作者，大连理工大学程驰副教授与沈阳生态所曾祥峰研究员为通讯作者。该研究得到了重点研发计划(2024YFD1501303)、国家自然科学基金(42477248,52200041)、中国科学院人才计划、辽宁省优青项目(2024JH3/10200025)、兴辽英才计划(XLYC2007192)与青促会项目的资助。

　　原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42773-025-00453-3

　　图1 生物炭对丁酸型发酵和乙醇发酵产物抑制的缓解作用

　　图2 生物炭对暗发酵中液相产物的吸附效应

　　图3 生物炭的pH缓冲效应。(a)生物炭在发酵前后的pH水平和碳酸盐含量。(b)生物炭及ABC的pH缓冲能力。(c)在不同发酵类型中，ABC对减轻产物抑制的影响。CaCO3在(d)丁酸盐型发酵和(e)乙醇型发酵中的作用。NC：阴性对照。BC：生物炭。

　　图4 生物炭的细胞固定化效果。生物炭的扫描电子显微镜(SEM)图像：a、c 为发酵前。b、d 为发酵后。e，生物炭处理发酵中的细胞分布。物理分隔细胞与生物炭在丁酸盐型发酵(f)和乙醇型发酵(g)的影响。

　　图5 生物炭在不同发酵类型中缓解产品抑制的多重机制的定量研究