由于城市化进程加快、人口增长、经济发展以及农业和工业活动的加剧，全球有机废物的产生量大幅增加[[1], [2], [3]]。全球城市固体废物年产生量超过20亿吨，其中有机废物（包括食物、绿色废弃物、纸张和木材废物）占最大比例[4]。传统上，这些废物主要通过填埋或焚烧进行处理。然而，联合国的可持续发展目标强调可持续废物管理，并鼓励将废物作为原材料或可再生能源利用，以减少其对环境的影响[3]。厌氧消化（AD）是一种广泛应用的生物过程，它在无氧条件下分解有机物质，产生沼气（主要是甲烷和二氧化碳）[5]。经过净化后，沼气可用于发电、供热和制造车辆燃料等多种用途[6]。大量研究表明，AD能有效处理食物废物、城市固体废物和污泥，并同时产生可再生能源[[7], [8], [9], [10]]。然而，AD系统常常面临甲烷产量低、二氧化碳浓度高以及过程稳定性差等问题，尤其是在受到环境压力（如温度波动或挥发性脂肪酸积累）的影响时，这些因素会抑制产甲烷菌的活性[5,11,12]。这些过程不稳定问题不仅仅是简单的生物学问题，还可能导致能源转化效率降低、设备意外停机以及沼气厂的经济损失。
为了解决这些问题并提高沼气产量，人们探索了多种策略。其中，添加功能性添加剂是一种简单有效的方法，无需对反应器进行结构改造。典型的添加剂包括作为关键酶辅因子的金属（如Co、Fe、Ni、Zn和Mn）[[13], [14], [15], [16]]；促进微生物固定和电子转移的碳基材料（如石墨烯、碳纳米管、活性炭和生物炭）[11,13,18,19]；以及有助于维持稳定pH值的缓冲剂（如沸石和碳酸钙）[20,21]。这些添加剂可以增强微生物活性，稳定AD过程，并提高沼气产量[22]。此外，多项研究表明，添加剂可以在压力条件下促进系统恢复。例如，添加石墨烯可以在酸性冲击后稳定AD过程，通过加速丙酸降解使甲烷产量增加11%[23]。在高原料与接种剂比例（代表有机负荷过载）的情况下，添加生物炭可以显著缩短滞后期（从约19天缩短至约2天），并大幅提高甲烷产生速率，从而表明在压力条件下系统恢复能力得到增强[22]。
生物炭是一种由生物质（如木质纤维素残渣、藻类或污泥）热解产生的碳质材料，其物理化学性质因原料类型和热解条件而异[[24], [25], [26], [27]]。比表面积、官能团、孔结构、pH值和矿物质含量等特性会影响生物炭在AD反应器中的性能[5,28,29]。例如，由于其多孔结构，生物炭可作为微生物固定载体，并通过物理吸附、官能团相互作用、离子交换和静电吸引作用促进微生物附着及抑制性物质（如氨和重金属）的吸附[11,30,31]。其缓冲能力（由酸性/碱性官能团和碱金属如Na、K、Ca和Mg赋予）有助于维持pH值稳定[11,32]。最新研究表明，生物炭的添加可以改善AD性能，甲烷产量通常可增加20–40%，具体取决于底物类型和生物炭的特性[[33], [34], [35]]。此外，生物炭还能通过缩短滞后期和增加最大甲烷产生速率来改善过程动力学，尽管这些改善的效果因原料类型和热解条件而异[33,36]。这些效果归因于多种机制，包括增强共生微生物间的电子转移、改善微生物附着以及激活关键功能微生物群组，从而提高过程稳定性，特别是在复杂或受压的AD系统中[33,37]。此外，生物炭的导电性（通常与其碳结构和铁含量有关）可能促进共生微生物间的直接种间电子转移（DIET）[38]。在AD系统中，种间电子转移（IET）主要指甲烷生成过程中共生微生物间的电子交换。这种电子转移可以通过可扩散的中间体（如氢或甲酸）间接进行，也可以通过导电材料、细胞间连接或DIET直接进行。在复杂和短期的批次系统中，这些电子转移途径往往同时发生，难以区分[39,40]。
尽管生物炭具有广泛的应用潜力，但其效果在不同AD系统中差异很大，因此选择生物炭时必须根据系统具体条件进行定制。本研究评估了在受到压力抑制的接种剂条件下AD系统的性能，其中甲烷生成活性因先前暴露于压力环境而降低。我们将来自枫叶、咖啡残渣、稻壳、肯塔基蓝草和污泥的生物炭添加到反应器中，以评估它们对甲烷产生的影响。我们研究了元素和矿物质组成、孔结构及官能团的差异如何影响AD性能，并通过分类学和功能基因分析研究了微生物群落动态。此外，我们还试图阐明生物炭介导的甲烷生成机制，并确定用于改善能量回收和恢复AD过程稳定性的生物炭添加剂的筛选标准。这些发现为选择合适的生物炭添加剂以及在各种复杂和具有挑战性的环境条件下设计高效AD系统提供了指导。
