生物电化学系统降解木质素研究进展

摘要

由于人类的生产和活动制作了大量含木质素的有机废物，若不能妥善处理，则会严重影响环境和人类健康。生物电化学系统(BES)是一种低能耗降解木质素的潜在途径。本文着重分析了BESs降解木质素性能良好的可能原因和改进其性能的可能途径。BESs降解木质素性能良好的可能原因：（1）生物电化学反应器(BERs)中的微生物活动可以通过外部电化学系统来改变或控制（2.8.1），（2）BESs可以产生HO·活性自由基。对于木质纤维素、蛋白质、脂肪和挥发性脂肪酸等复杂的有机大分子物质，HO·可以打断碳链，开环，分解成低分子量有机物（2.8.2），建议通过添加添加剂、通过调节环境条件提高木质素去除率、控制BES微生物群落等措施来促进木质素的降低。此外，本文还综述了生物电化学偶联系统的研究进展，包括餐厨垃圾与生物电化学体系的偶联、牛粪与外加电场技术的偶联等。证明了该方法在不同情况和条件下的适用性，并为改进这些系统来促进有机废物减量化提供了启示。最后，对目前面临的挑战和前景进行了展望，为含木质素的有机污染物修复技术的发展和阻断风险迁移提供了建设性意见。

引言

随着无论是城市还是乡村，其工业化和生活水平的快速提高，以及急速上升的能源消耗速率，使得天然气、石油和煤炭等化石燃料即将消耗殆尽，因为这些被认为是世界上最重要的能源，它们是有限且短暂的(Basha 等，2009)。这引起了对可再生燃料能源以及清洁能源的严重关切。近几年来，许多研究团体和政府大力推进对新的燃料能源的开发与研究。而厌氧发酵作为一种可再生能源、产污泥量少、低耗能、低成本的生物技术，被认为是最具经济效益的可再生能源技术之一。作为地球上最丰富的有机废物，木质纤维素是厌氧发酵重要的原料，存在于多种物质中，例如园林垃圾、生活垃圾、农村秸秆和牲畜粪便等。因此，若能将我们每天产出的大量含木质纤维素的垃圾经微生物发酵制备生物燃料（主要为甲烷）等可再生能源，这样既做到了垃圾减量化，又减少了对化石燃料的依赖，推进了我国可持续发展战略的步伐。

生物电化学系统(BESs)结合微生物代谢和电化学氧化还原反应，在充分降解木质纤维素方面具有巨大的潜力。实际上，如今国内外对木质纤维素的微生物分解已经做了广泛的研究，木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素所构成，半纤维素覆盖在纤维素微纤丝表面，通过氢键相互连接，而木质素则通过共价键与半纤维素相连，形成稳定的疏水结构。因此，木质纤维素属于难降解有机物。现在，木质纤维素原料的传统预处理包括物理、生物、化学和物理化学技术。{物理方法包括将热处理，例如通过水热法来改善发酵物中微生物的理化性质。化学方法包括利用酸碱对发酵底物进行预处理。生物方法，例如向发酵物添加微生物、发酵剂以改善厌氧发酵的初始条件。

虽然BESs在降解木质纤维素方面有很大潜力，但其效果并不明显。因此，本研究旨在对BES作为一种新兴的降解木质素的通用技术进行全面综述，并提出提高其去除率的可能途径。本文首先综述了有机废物厌氧发酵资源化利用方法的发展，包括传统厌氧发酵方法和强化厌氧发酵方法。重点介绍了BES在降解木质素方面的优势，即不仅可以促进木质纤维素降解，还可以促进沼气生产和热值。本文讨论了提高木质纤维素降解率的三种方法，如控制电压和其他环境条件以降低抗生素的选择压力、使用添加剂和控制微生物群落。此外，还对BESs - Fenton体系、人工湿地和光催化等耦合体系进行了论证。将已经投入使用的现有系统与BESs结合使用，可以提高生物降解的性能。最后，讨论了BESs降解木质素的挑战和前景，有助于理解木质素的降解机制和提高BESs降解性能的方法。

有机废物厌氧发酵资源化利用方法综述

传统厌氧发酵技术

1.1 预处理技术

生物质原料利用的预处理方法总结起来主要有物理预处理、化学预处理 、生物预处理。每种预处理方法又有其各自不同的处理方式, 并且各种方法在不同的应用领域也不尽相同。这些方法既可以独立的使用也可以组合使用。下面简单的介绍一下我国目前秸秆沼气中研究较多的几种预处理方法。

1.1.1 物理预处理

通常将机械加工预处理 、高压预处理以及辐射预处理等利用物理条件来改变生物质秸秆特性, 使其便于后续发酵的方法统称为物理预处理 。目前秸秆沼气发酵研究较多的物理方法主要有机械加工法和蒸汽爆破法。

机械加工是通过机械粉碎或者研磨等方法使原料粒径减小, 以增加原料与微生物接触面积, 并破坏原料坚硬的细胞壁与三素的晶体结构, 使原料更易于微生物的侵入和分解。蒸汽爆破法是在一定的蒸汽 、温度、压力的作用下, 使纤维原料在压力突然释放的瞬间, 细胞内的蒸汽突然膨胀, 从而使纤维得以离析、分散, 部分剥离木素, 并将原料撕裂为小纤维,如同发生了 “爆破 ”, 此法对于三素含量很高的生物质秸秆的处理效果很好。

1.1.2 粉碎法预处理

粉碎法是目前秸秆沼气最为普遍使用的机械预处理方法。 Zhang[ 1]研究发现对稻草进行厌氧发酵,粉碎的稻草比未经处理的稻草产气率提高 17%。Clarcson[ 2]也同样发现, 对秸秆进行粉碎处理可提高沼气产气量, 与未粉碎的秸秆相比, 产气量提高了近20%。但实际应用中发现, 粉碎预处理效果很有限,因此它常常与化学预处理和生物预处理结合使用,作为化学和生物预处理方式的前处理, 以提高整体预处理效果 。

1.1.2 研磨预处理

研究发现, 研磨的处理效果比粉碎的要好得多。这是因为研磨在切碎物料的同时, 还通过压榨作用更多地破坏了原料的内部结构。Zhang在对稻草进行厌氧发酵时还发现, 在其它因素一样的条件下, 研磨的预处理效果明显好于粉碎。10 mm和 25 mm 两种粒径下, 通过研磨可以使产气效果比切碎提高 17.5%和 12.2%。但研磨处理能耗远远高于粉碎, 成本也大大增加, 因而研磨法预处理目前还很少有报道称将其用于实际沼气工程中。

1.1.3 蒸汽爆破预处理

蒸汽爆破预处理的具体操作为将需要处理的原料放入蒸汽发生器中, 将处理温度设置为 200℃, 压力调整为 1.5 Mpa, 并持续一段时间后, 突然减小压力而使原料的体积迅速膨胀。由于压力的突然变化及其体积迅速膨胀使得细胞壁和木质素坚固的结晶结构被破坏, 因而更易被厌 氧菌群分解 。宋永民[ 3 ～ 4] 等对蒸汽爆破预处理方式在玉米固态秸秆沼气发酵中的应用进行了研究, 发现秸秆经过蒸汽爆破预处理后, 在 50℃的高温条件下进行固态厌氧发酵, 沼气产量 TS达到 138.2 mL· g-1, 汽爆秸秆的沼气产量是未汽爆秸秆的 2.9倍 。王许涛 [ 5] 同样发现蒸汽爆破预处理后的秸秆比未经预处理秸秆厌氧发酵的产气量提高 34% ～ 67.36%, 蒸汽爆破预处理后, 秸秆厌氧发酵的启动时间和发酵周期都大大缩短 。杨雪霞 [ 6] 在研究气爆处理对棉花秸秆沼气发酵效率的影响研究, 也发现气爆处理试验组的沼气发酵效率与未经气爆处理的试验组相比, 产气量提高25%。可以看出蒸汽爆破对多种农作物秸秆都具有很好的预处理效果, 处理后原料的厌氧发酵产气效果明显提高 。但由于需要高温高压, 使得其对设备的 要求较高, 成本也相对较高, 限制了其在实际工程中 的应用, 目前也很少见有报道沼气工程采用这种预处理方法 。

1.2 化学预处理

在化学预处理方法中，稀释酸预处理相对便宜，是实验室和中试研究中最常用的方法。稀酸处理具有较高的反应率，显著提高纤维素水解产量。通过稀释酸预处理，几乎所有的血细胞素分数被去除。例如，当在大量废活性污泥（WAS）厌氧发酵期间应用 HCl 进行 pH 调整 （pH 4.2） 时，醋酸盐的最大产量增加了178%，累积的甲烷产量增加了19%。同样，挥发性脂肪酸（VFA） 产量和初始 VFA 的产量通过 HCl 预处理提高了 3.8[8]。然而，附着在离子上的矿物质酸（Cl−或如此42=），有时超过2克/升，增加污水的盐度浓度，最终给后续处理工艺带来困难 [9]。

1.1.2 酸预处理

强酸具有很强的腐蚀性和氧化性, 可以有效地 对纤维素原料进行水解, H₂ SO₄和HCI等浓酸就是很好的酸法预处理试剂, 但由于强酸的腐蚀性和氧 化性很强, 对反应器的抗腐蚀性要求很高, 并且废液 也可能造成二次污染。因此人们开始尝试用稀酸对 秸秆原料进行预处理, 研究发现稀酸对秸秆同样具 有很好的预处理效果 。吴振兴[7] 采用锥形瓶反应 器及室内培养法, 以挥发性脂肪酸的产量为衡量指 标, 研究秸秆预处理方法对水稻秸秆厌氧发酵产酸 效果的影响, 结果表明将秸秆粉碎后用稀硫酸处理可 以明显地提高秸秆的酸化效率。 Gunaseelna [32]用 10% 的盐酸对水稻秸秆进行处理, 研究发现秸秆厌氧发酵 的产沼气量和甲烷的含量分别提高了 25%和 67%。

稀酸加热预处理对设备的腐蚀性较小, 适用范 围较广, 预处理效果也很好, 但酸处理有可能对环境 造成二次污染, 环境友好性较差。

在各种能够改善木质纤维素的生物降解性的预处理方法中，水热预处理被认为是生态友好且经济可行的一种预处理方法［4］宋晓聪等进行了玉米秸秆经水热预处理后的厌氧消化特性研究，结果表明热处理能够改变玉米秸秆木质纤维素的组分。在 logR0 为 6.81~7．27时，半纤维素相对含量降到了1.53%~4.06% (未预处理组为28. 36% ) 。而其中的木质素相对含量从 5.09% 增加到 13.71% 。主要是因为木聚糖发生溶解，而木质素保留在了预处理后回收的固体中。这表明较高的水热预处理强度能有效去除半纤维素，这样可以获得更好的酶促可及性，从而增强 VFAs 和还原糖的量，此外，一定强度的预处理能够增大玉米秸秆的产甲烷性能。

1.1.3 碱预处理

碱法预处理与酸法预处理的不同之处在于, 碱 法预处理可直接通过生化反应, 将木质素去除, 从而打开三素的晶体结构, 使得纤维素与半纤维素能够 更易被厌氧发酵菌群利用并产生沼气。碱法预处的原理是碱提供的氢氧根离子可以与木质素分子中的 化学键发生反应, 通过皂化反应最终将木质素去除, 但对半纤维素和纤维素的破坏较小, 这使得原料的利用率较高 。随着碱法预处理研究的深入, 研究人 员也开始使用稀碱法对秸秆进行预处理。

蒋建国 [ 8] 采用 NaOH, 氨水, H2 SO4 和尿素 4种 试剂对玉米秸秆进行预处理, 研究结果表明 NaOH 的预处理效果最好。高志坚 [9] , 杨懂艳 [10] , 罗庆 明 [11] 等也都分别对玉米秸秆进行NaOH预处理后 再进行厌氧发酵产沼气研究, 结果均显示经 NaOH 预处理后的玉米秸秆的干物质消化率和产气量均比 未处理的提高了 61.4% ～ 114%。孙辰 [ 12] 用 6%的 NaOH对水稻秸秆进行预处理, 发现低浓度 NaOH 同样可以提高稻草的厌氧消化效率和产气量。张庭婷 [13]用NaOH, 稀H2 SO4, 稀HCl, 氨水四种试剂对 木薯秆进行预处理产沼气实验,与蒋建国研究结果一致：四种试剂中经过碱法预处理的木薯秆厌氧发 酵后的累计产气量最高, 比未处理产气量提高了 21.56%, 明显优于两种酸处理和氨水处理。碱法预 处理不但可以提高厌氧发酵的产气量, Ghosh [14]等 还发现, 经 NaoH处理后, 沼气的成分中甲烷的含量 也有较大的提高 。

可以看出稀碱法预处理秸秆能明显提高厌养消化效率和产气率, 并且稀碱法处理成本较低, 对环境 的污染也较小, 已成为近年来研究的热点, 实际工程 中也有所应用

碱预处理可以有效地破坏木质素和部分半纤维素组分，以及半纤维素和木质素之间的交联酯键，从而降低纤维素的结晶度和聚合度，增加脱木素。重点在于去除生物质中的木质素和半纤维素，以及水解半纤维素和纤维素（Owolabi等人，2017年）。碱预处理中常用的碱溶液，如Ca(OH)2、KOH、NaOH、NH4OH和NH3。钙和钾离子被用作微量元素，以供微生物生长。在间歇式厌氧反应器中进行了仙人掌枝状体的厌氧消化（有和没有碱性过氧化氢(AHP)），以评估仙人掌枝状体的沼气生产潜力和甲烷产量。结果表明，采用AHP法对仙人掌枝状体进行预处理，降低了木质素含量，使其细胞糖部分的结构更加疏松，便于微生物作用。因此，沼气产量从877.9 ±15.12显著提高到1569.2 ± 19.27 ml沼气/g VS。这导致在9 h预处理时间、30℃温度和0.125%g/g H2O2（最佳pH值为11.5）下的最大甲烷产量为602.65 ± 3.24 ml CH4/g VS。AHP预处理对于提高仙人掌的沼气产量具有良好的效果。然而，需要在不同参数和处理条件下对这种预处理方法进行进一步分析，以便进行可能的中试规模试验。

1.2 生物法预处理

近些年来，也有一些研究人员选择使用添加剂（微量元素的投入）来改善反应系统的理化性质，从而促进木质素降解。王云等人本研究证实玉米棒灰作为添加剂可以促进厌氧发酵产氢。玉米生物质和灰烬富含钾，是土壤的肥料（萨马迪等人，2019年）。当玉米棒灰用量为1.2g/gTS时，产氢量达到46.8±1.0ml/gVS，约为对照组的3.5倍。玉米棒灰促进溶解、水解和产乙酰过程，与水解相关的微生物可能在玉米芯灰的存在下富集，从而促进WAS的整体发酵产氢。

生物法预处理是通过具有生物质降解能力的好 氧微生物菌群, 将秸秆类物质中的木质素分解, 从而 使得秸秆更利于厌氧发酵菌群的利用和分解的预处 理方法。与化学法预处理和物理法预处理相比, 生物法具有反应温和、能耗较小, 设备简单, 不会带来 环境污染等诸多优点, 因此也成为近年来研究的热 点 [15]。秸秆的堆腐预处理是目前最为认可并且普遍应用的生物预处理方式。方文杰[16] 采用厌氧消 化后的消化液对稻草进行堆沤预处理, 对堆沤处理 前后的稻草进行了不同有机负荷率下的产气试验, 结果表明:堆沤处理后稻草总产气量比未处理提高 了 3%~49.5%。但传统堆沤预处理需要周期较 长, 一定程度上影响了后续的利用等其它操作,因此如何缩短堆沤时间并提高干物质消化率和产气率成 为目前国内外研究的焦点。在堆沤时加入高效的木 质素降解菌种, 并确定其适宜的发酵条件被认为是最为有效的方法 。目前研究表明, 只有少数真菌具 有分解木质素的能力, 而白腐真菌被认为是主要的 降解木质素的微生物, 也是目前研究最多的木质素降解真菌。

但有很多学者认为自然界中可以分解纤维素和木质素的细菌、真菌和放线菌常与其它一些不具备 纤维素分解能力的微生物菌群混合生长, 单一优势 菌种很容易被环境中的其他菌种所淘汰, 难以实现 规模化利用, 复合菌种则可以相互补充, 避免失效。因此国内关于木质素降解菌种的研究主要分为两个 方向 :一是复合菌种研究, 二是白腐真菌研究。

1.2.1 复合菌剂预处理

复合菌剂一般包括多株纤维素 、木质素分解菌 以及由霉菌、细菌和放线菌等多种微生物菌种组成 的一些辅助功能菌 。研究发现很多复合菌剂对秸秆 有着很好的预处理效果, 能明显提高厌养发酵消化 率和产气率。廖银章 [ 17] 用复合菌剂预处理多种秸 秆, 并直接作为厌氧发酵原料, 实验表明:用复合菌 剂预处理的秸秆厌氧发酵启动时间比自然预处理的 秸秆产气时间提前 3~5天, 产气量提高30%以上 。 闫志英 [18]利用复合菌剂对玉米秸秆进行预处理, 并 进行实验室干发酵产沼气试验, 研究结果表明:经复 合菌剂预处理后的秸秆产气量比未加复合菌剂预处 理的对照组提高 29.54%, TOC降解率提高 136. 32%, 纤维素降解率提高 47.68%。黄如一 [19] 用两 组不同的复合菌剂对小麦秸进行预处理与不加菌剂 预处理秸秆进行产沼气对比试验, 研究显示用菌剂 预处理过的秸秆试验组的平均产气量均高于不加菌 剂预处理的纯秸秆对照组, 分别提高了 33.65%, 38.32%;启动时间也快了 4 天。万楚筠 [ 20] 用混合 菌剂对油菜秸秆进行预处理, 利用红外光谱分析仪 和扫描电子显微镜对预处理前后的秸秆进行分析结 果表明:混菌发酵预处理 11 d后油菜秸秆的纤维 素、木质素 、半纤维素降解率分别达到了 37.4%, 28.9%和 29.9%, 并且预处理后的秸秆日产气量最 高峰值较未处理的提高了 37.6%, 累计产气量提高了17.8%。

复合菌剂对秸秆的预处理效果已被大家所认可, 很多科研单位或企业也已经将其做成产品出售, 目前在国内得到了较为广泛的应用 。

1.2.2 白腐真菌预处理

降解木质素的真菌可以分为三类:白腐真菌 、褐 腐菌及软腐菌 。但只有白腐真菌降解木质素的能力 较强, 而后两者能力较弱。白腐真菌能够分泌胞外 氧化酶降解木质素, 因此被认为是主要的降解木质 素的微生物, 也是目前研究最多的木质素降解真菌。

白腐真菌是一类丝状真菌, 因腐生在树木或木材上, 引起木质白色腐烂而得此名。白腐真菌降解 秸秆具有如下优点 [21]:一是各种真菌作用在一起互 相影响较小, 秸秆堆沤过程中加入白腐真菌具有较强的适应性, 不容易被淘汰 。二是白腐真菌对底物 没有选择性并且干物质损失较小, 处理效率高 。杨玉楠 [22]发现, 在 39℃、10天的预处理条件下, 白腐 菌处理后的厌氧发酵效果最好, 原料的甲烷转化率 可以达到 50%。 Ghosh [23] 等研究了经白腐真菌 Phanerochaetechrysosporium(Pc) 和褐腐 真菌 Polyporusostreiformis(Po)预处理稻草的产沼气性能, 发 现 Pc处理稻草的总产气量和甲烷产量比对照分别 提高了 34.73%和 46.19%。潘亚杰 [24] 等研究发现 利用白腐菌对玉米秸秆进行生物降解预处理, 在固 液比为 1:9, 添加 0.1%碳源和0.2%氮源条件下, 能大幅度提高木质纤维素的降解率, 并获得 COD值在10000 mg· L -1以上的降解液。

国内外都对白腐真菌做了大量研究, 研究结果 显示利用白腐真菌对秸秆进行预处理, 可以明显提 高秸秆的降解率和产气率, 但目前我国对白腐真菌 在秸秆沼气工程中的应用推广还很少见报道, 而国 外已经实现工业化发酵生产, 广泛应用于规模化秸秆沼气工程之中 。

1.3 其他与处理方式

1.3.1 超声波与稀碱法联合预处理

张婷[ 25]研究了超声波与稀碱法的联合预处理对秸秆厌氧发酵产沼气的影响, 以水稻秸秆为原料,联合超声波与稀碱法对秸秆进行了预处理, 研究发现 :联合预处理比单纯用碱进行预处理的最大产气量提高了 21.5%。徐国涛[ 26] 以玉米秸秆为原料,对其进行超声波辅助处理后, 再进行氢氧化钠 -纤维素酶水解综合预处理, 然后进行沼气发酵试验, 研究发现玉米秸秆经超声波 -氢氧化钠 -纤维素酶水解综合处理后, 产气能力明显提高。

1.3.2 青贮预处理

青贮技术是目前较为成熟的秸秆饲料化的化学处理方法, 其原理主要是通过乳酸菌发酵, 利用青贮原料中的可溶性碳水化合物合成乳酸, 使得 pH值下降为 3.8~4.2, 以抑制各种微生物的繁衍, 达到保护饲料的目的, 同时得到青绿多汁 、适口性好 、营养丰富的“草罐头”。青贮技术将秸秆软化, 可消化性能增加, 能提高厌氧消化产气率 。周玮[27] 通过三组试验来比较相同干物质量的鲜玉米秸秆 、干玉米秸秆、青贮玉米秸秆中温 ( 35℃)厌氧发酵的消化率和产气性能, 结果表明 :经青贮预处理过的秸秆产气性能明显提高, 产气量也明显高于其他两个试验组,产气启动时间也略为缩短 。

但青贮只是一定程度上起到了软化秸秆的作用 、使其在秸秆沼气发酵过程中便于进料和搅拌, 以及防止漂浮和结壳, 然而它对纤维素消化率提高甚微, 对厌氧消化率和产气量的提高也很有限 。

（其他的含木质纤维素的处理方式，已进行了相应的研究并取得成效10篇左右酸碱，（处理方式（热处理、碱处理、酸处理、添加微生物、添加发酵剂、物料的配比、堆肥））

强化厌氧发酵方法

厌氧发酵产沼是我国养殖场畜禽粪便和污水最常见的处理方法,目前存在的问题是在厌氧发酵的启动、负荷变动和有毒污染物存在的时候,沼气的生产能力非常低,系统的稳定性也较差。因此,需要开发一种厌氧发酵产沼的辅助调整方法改善上述问题。电化学处理是一种新型的污染物处理技术,在重金属处理、污泥处理、工业废水处理等工艺中有着广泛的应用前景。

生物电化学系统包含微生物学、电化学、过程工艺学等复杂过程，是一个崭新且富有挑战性的领域，在资源和能源回收以及环境污染修复等方面已经日渐展现出其独有的特色和吸引力。尽管不断有新的发现和认识被报道但是迄今为止科学家对生物电化学系统的认知还不甚完整，大量关键科学与技术问题还有待解决，还需要新的理论和方法支撑以开展为深入系统的研究。

木质纤维素生物质是世界上最丰富的资源，因其生产生物燃料的潜力而备受关注。这种生物燃料，包括生物乙醇和氢气，被认为是最有前途的化石燃料替代品（金等人，2016年，王等人，2016年）。用于将木质纤维素生物质转化为生物燃料的生物转化过程包括三个主要步骤：预处理、酶糖化和发酵。木质纤维素首先通过预处理被破坏，然后通过酶水解为单糖化剂。生产的单糖精随后通过发酵转化为乙醇或氢气（Khare等人，2015）。采用外加电场强化纤维素酶在纤维素基质表面的吸附和迁移（Weaver和Chizmadzhev，1996）。Chen等人（2013）发现电场不会使纤维素酶失活。Jørgensen等人（2003年）证明纤维素酶可以在电场下移动。预计纤维素酶在酶水解过程中的定向运动可以增强纤维素酶与纤维素接触的可能性和在纤维素表面的稳定吸附。因此，在纤维素底物水解过程中施加电场可以提高酶糖化效率。

瞿广飞等人以木质纤维素含量较高的牛粪为原料，研究了电极性对厌氧发酵中木质纤维素降解的影响与作用，结果表明，不仅影响沼气产量和甲烷含量，而且极大地促进了木质纤维素的降解。阴极辅助发酵系统比阳极辅助发酵系统获得了更多的积极效果。对于不同阴极微电压的发酵，促进强度依次为100 mV<500 mV<250 mV。表征结果进一步证实了单电极发酵罐的有效性。考虑到单电极体系或极性效应对木质纤维素材料高效利用的广泛影响，单电极辅助体系促进甲烷发酵的具体机理有待于进一步研究。阴极辅助发酵比阳极辅助发酵产生更多积极影响。与没有电极的对照组相比，阴极微电压（-250 mV）下的平均沼气和甲烷产量分别惊人地提高了2.82和2.44 mL g-1d-1。同时，木质素和纤维素的降解率也分别提高了23.11%和19.46%。结果表明，单个微电压不仅可以促进木质纤维素降解，还可以促进沼气生产和热值。这些微电压对发酵过程的影响也为突破目前木质纤维素材料发酵的局限性提供了很好的机会。

木质纤维素生物降解机理

自然界中，木质纤维素能够被降解的原因在于千百种微生物的共同作用。微生物降解木质纤维素时主要有两种进攻方式，一是由外部到内部; 二是由内部向外部。细菌在降解木质纤维素时首先吸附在纤维素表面，不断地由纤维的表面向内部生长，细菌吸附的纤维素部位被细菌所破坏，纤维易于膨胀，较为容易分解。真菌在降解木质纤维素的过程中，首先吸附在木质纤维素的端部，菌丝由端部向内延伸，分泌木质纤维素降解酶，然后由内向外降解木质纤维素。微生物降解木质纤维素时无论采用何种方式来破坏木质纤维素结构，在木质纤维素生物降解过程中起主要作用的还是微生物所产生的木质纤维素降解酶。由于木质纤维素天然结构复杂，其生物降解过程则是一个复杂的酶学过程，需要多种酶的协同作用来完成的。其中包括纤维素降解酶、半纤维素降解酶、木质素降解酶等。