• 学者介绍

通讯作者简介：张新雁，博士，山东大学核科学与能源动力学院，副教授，硕士生导师；担任山东大学主办的Green Energy and Resources (GER) 国际期刊的编辑部主任；入选中国农业工程学会农业资源环境与能源工程专业委员会委员。主要从事有机固废能源资源转化与利用方向的研究，聚焦于有机固废制备炭材料用于吸附剂、催化剂、建材添加剂、土壤改良剂等基础研究及产业应用。主持国家自然科学基金项目、山东省自然科学基金项目、山东省技术创新引导计划项目、山东省博士后创新项目 (一等)、泰安市科技创新重大专项项目等，作为骨干成员参与国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金区域创新发展联合基金项目等；发表SCI学术论文30余篇，申请/授权国家发明专利5项；参与制定标准3项等。

通讯作者简介：许晓晖，博士，山东省农业科学院畜牧兽医研究所，研究员。山东省可再生能源协会生物质能专委会特聘专家。主要从事农牧废弃物安全化、能源化、资源化和工程化利用 (简称农牧废弃物“四化”利用) 研究与产业化工作，在秸秆高负荷厌氧发酵，高含氮原料高负荷厌氧发酵、高寒地区低能耗、高净能量产出厌氧系统，沼液深度固液分离与低成本养分分离等方面做了大量工作，并实现了多处产业化应用。以项目负责人或课题负责人获得国家、中国科学院、山东省和企业合作项目10多项，发表学术论文10多篇，获得专利授权6项，省级主推方法、标准等3项。

第一作者简介：任丽，山东大学核科学与能源动力学院博士研究生，主要研究方向为农业固废及工业固废的协同化资源处置。

• 文章导读

中国是全球肉鸭养殖第一大国，鸭粪因其高含水率、高含油、高氨氮、高黏度的特性，在传统厌氧发酵中易引发氨抑制、沼气产率低、沼液难利用等难题，成为制约肉鸭养殖业绿色发展的瓶颈。 山东大学张新雁副教授团队联合山东省农业科学院许晓晖副教授团队，在 Materials 期刊发表的文章 (Enhancing duck manure anaerobic digestion with hydrochar: exploring green material potential via bidirectional AD-HTC coupling)，创新性地提出了水热碳化 (HTC)- 厌氧消化 (AD) 双向耦合技术，系统探究了以农林废弃物制备水热炭作为添加剂，对鸭粪厌氧消化的强化效果及作用机制，为畜禽粪污高效资源化与农业废弃物循环利用提供了全新技术方案与理论支撑。

• 研究过程与结果

本研究以鸭粪为消化底物、农林废弃物制备的水热炭为添加剂，构建 “水热炭强化鸭粪厌氧消化” 体系，设置空白组、对照组及4个水热炭添加梯度组 (2.73~16.36 g・L-1)，在 37±0.5 ℃条件下开展32天批次厌氧消化试验，结合宏基因组学分析，从产气性能、短链脂肪酸 (SCFAs) 代谢、微生物群落结构及代谢功能基因四大维度，系统解析了水热炭的强化机制。

1. 产气性能大幅提升，最优组 (水热炭添加量 10.91 g・L-1) 累计甲烷产量达175.65 mL・g-1 VS，较对照组提升27.13%；过量添加 (16.36 g・L-1)时，甲烷产量略有下降，推测因过量水热炭吸附底物、阻碍微生物与底物接触所致。同时，水热炭可加速SCFAs降解，避免挥发性脂肪酸 (VFAs) 积累引发的系统酸化，且VS降解率从对照组66.62%提升至最优组73.95%，有机物质利用率显著提高。

2. 重塑微生物群落，测序结果表明，水热炭可显著优化厌氧消化体系微生物群落结构：细菌层面，厚壁菌门 (Firmicutes)、拟杆菌门 (Bacteroidota)、绿弯菌门 (Chloroflexota)相对丰度较对照组分别提升 11%、34%、60%，这类菌群是水解酸化核心功能菌，可高效降解鸭粪中蛋白质、多糖等复杂有机物；古菌层面，盐杆菌门 (Halobacteriota) 及产甲烷八叠球菌属 (Methanosarcina) 富集效果显著，最优组Methanosarcina 相对丰度达39.18% (对照组27.13%)。该菌可直接利用乙酸产甲烷，且耐高氨氮，有效缓解鸭粪厌氧消化中的氨抑制问题。此外，水热炭表面丰富的孔隙结构与含氧官能团 (-OH、C-O)，可作为“微生物载体”富集功能菌，可能促进直接种间电子传递 (DIET)，加速电子传递效率，进一步强化产甲烷过程。

3. 上调代谢关键功能基因丰度，激活代谢通路，宏基因组学分析显示，水热炭可显著上调厌氧消化全过程关键功能基因丰度：在水解酸化通路中，糖酵解、氨基酸代谢、丁酸 / 丙酸代谢相关基因丰度较对照组提升28%–254%；在产甲烷通路中，乙酸裂解产甲烷、氢营养型产甲烷相关基因等丰度提升16%~155%，其中mcrA (产甲烷关键基因) 丰度提升2.1倍，直接促进甲烷合成。

• 研究总结

该研究首次验证了农林废弃物基水热炭强化鸭粪厌氧消化的可行性，明确10.91 g・L-1为水热炭最优添加量，阐明了“吸附氨氮缓解抑制—富集功能菌群—促进电子传递—上调代谢基因”的多重强化机制。另外，研究提出了AD-HTC 双向耦合模式，可实现“沼液用于水热炭制备、水热炭回添强化厌氧消化”的闭环循环，形成“以废治废、变废为宝”的绿色产业链，为畜禽养殖污染治理、农业废弃物循环利用及“双碳”目标实现提供了技术参考。目前，该团队正推进连续中试试验，进一步优化工艺参数，推动技术产业化落地，助力畜禽养殖业低碳绿色转型。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/1996-1944/19/8/1563

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• Materials 期刊介绍

主编： Maryam Tabrizian, McGill University, Montreal, Canada;Yuguang Ma, South China University of Technology, China

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。目前，期刊已被 Scopus, SCIE (Web of Science), PubMed 等多个数据库收录

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