《Resources》：Urban Tree Pruning as a Stable Biomass Platform for Bioethanol Production: A Year-Round Compositional Characterization Study in Mérida, Mexico
Andres Canul-Manzanero,
Jorge Carlos Trejo-Torres and
Edgar Olguin-Maciel
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为解决化石能源依赖、城市有机废弃物排放及生物燃料原料短缺问题，本研究对墨西哥梅里达的城市树木修剪废弃物（UTP）进行了为期一年的系统性组分表征。研究发现，UTP具有稳定且丰富的纤维素与半纤维素（全纤维素，Holocellulose）含量，其化学组成的年度均一性使其成为一种可靠的第二代生物乙醇生产原料，为墨西哥的生物燃料政策（如NOM-016-CRE混合指令）和循环生物经济转型提供了潜在的本地化解决方案。
全球的能源需求依然严重依赖化石燃料，这导致了大量的温室气体排放。与此同时，随着人口增长而产生的城市固体废弃物（Municipal Solid Waste, MSW）是另一个不容忽视的排放源。在墨西哥，由于处置不当，有机废弃物每年贡献了约6100万吨二氧化碳当量（CO2eq）的排放。而在尤卡坦州的梅里达市，每年产生的有机废弃物超过23万吨，其中就包括来自超过760个公共空间的、被严重低估的木质纤维素资源——城市树木修剪废弃物（Urban Tree Pruning, UTP）。面对能源转型的压力和废弃物管理的困境，如何将这类看似“无用”的绿化垃圾变废为宝，转化为高价值的生物燃料，成为了一个兼具环境与经济双重意义的课题。最近发表在《Resources》上的一项研究，就对梅里达的UTP进行了一次长达一整年的“体检”，试图揭开它作为生物乙醇生产原料的稳定潜力。
为了将梅里达的UTP从“废弃物”提升为“工业原料”，研究人员开展了一项为期一年（2024年5月至2025年4月）的全面组分表征研究。他们采用了分层随机抽样策略，将城市划分为5个区域（层），每月从每个层中随机选取3个采样点（公园和大道）收集修剪下来的混合生物质。样本经过粉碎、干燥后，依据美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory, NREL）的标准方法，系统测定了其水分、灰分、提取物含量，并使用高效液相色谱（HPLC）定量了结构碳水化合物（葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖）和木质素的含量。同时，他们还利用元素分析仪和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析了样品的元素组成和官能团特征。通过方差分析（ANOVA）和事后检验，评估了UTP化学成分在一年中的季节性波动。
3.1. 抽样策略
通过文献回顾，研究团队确认梅里达的公共绿地主要由公园、绿地和街道构成，其中公园是树木修剪生物质的主要来源。城市公园的树木种群由186个物种的33,800棵树木组成，但优势物种集中，前10种树木就占据了总覆盖率的53%，这为随机抽样能够代表主要物种组成提供了统计优势。研究据此设计了分层随机抽样方案，覆盖全市5个行政区域，确保了样本的空间代表性。
3.2. 原料特性
收集的生物质在市政处理过程中已被混合，这反映了大规模废弃物管理的实际情况。采样时，市政工人使用碎木机对修剪物进行处理，经筛分发现，超过60%的生物质颗粒尺寸大于5毫米。颗粒尺寸是影响后续预处理效果的关键参数，更小的粒径有利于提高预处理效率，但也需权衡粉碎过程的能耗。
3.3. 生物质表征
对UTP样品的年度平均化学成分分析显示，其固体含量为93.42%，灰分含量为7.88%，碳氮比（C:N）为16.80，总提取物含量为6.73%。在结构组分方面，木质素（Lignin）平均含量为23.32%，而全纤维素（Holocellulose，即纤维素与半纤维素的总和）平均含量高达62.46%。碳水化合物谱分析显示，葡萄糖（Glucose）占37.01%，木糖（Xylose）占6.52%，阿拉伯糖（Arabinose）占8.95%，甘露糖（Mannose）占10.06%。
3.3.1. UTP结构组分分析
尽管单个碳水化合物（特别是葡萄糖）的含量在不同月份间有显著波动（从29.81%到48.59%），但全纤维素总量的年度波动较小，功能稳定性高。更为关键的是，木质素含量在全年的变化范围非常狭窄（22.36%至24.53%）。统计（Tukey检验）分析表明，虽然某些月份间存在统计学差异，但全年数据高度重叠，形成了稳定的分组，这表明木质素矩阵具有显著的年度均一性。这种稳定性意味着，在工业规模生产生物乙醇时，可以全年采用标准化的预处理参数（如化学品用量和反应强度），而无需因原料成分的季节性变化频繁调整工艺，这是一个巨大的操作优势。基于测得的葡萄糖含量，并依据Gay-Loussac化学计量比（0.511克乙醇/克葡萄糖）和约90%的发酵效率估算，梅里达UTP的理论乙醇产率可达170克/公斤干生物质。这一数值与甘蔗渣等传统原料的产率具有竞争力。
3.3.2. 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析
FT-IR光谱显示了UTP作为木质纤维素生物质的典型特征吸收峰。在3335 cm-1和2920 cm-1附近的峰分别对应纤维素、半纤维素和木质素中的羟基（O-H）和脂肪族（C-H）官能团。1050和890 cm-1处的吸收带表明存在木聚糖以及纤维素和半纤维素中的β-1→4糖苷键。在1614、1510和1400 cm-1等处的吸收峰则证实了木质素中羰基（C=O）、芳香环和羧酸基团的存在。红外分析结果与化学定量分析相互印证，确认了UTP中丰富的全纤维素和木质素结构，表明它是一种有前景的可发酵糖生产底物，但需要有效的预处理来破解木质素屏障。
4. 结论
本研究通过对墨西哥梅里达市城市树木修剪废弃物（UTP）为期一年的系统表征，确立了其作为一种稳定的木质纤维素生物质资源的潜力。核心结论是，尽管城市树木种类多样，但混合后的UTP在全年保持着高度一致的物理化学组成，特别是木质素含量稳定，全纤维素含量高。这种均一性是其作为工业原料的关键优势，意味着它可以不经昂贵的物种分选而直接进行标准化处理。估算的理论乙醇产率（170 g/kg）表明其与传统生物质原料（如甘蔗渣）相比具有竞争力。此外，UTP中存在的甘露糖和戊糖（木糖、阿拉伯糖）为通过共发酵微生物进一步提高乙醇总产率和过程经济性提供了可能。
此项研究的意义在于，它将通常被视作废弃物的城市绿化修剪物，提升为一种可预测、可靠的第二代生物乙醇生产原料。这为墨西哥应对本国生物燃料政策（如NOM-016-CRE规定的5.8%乙醇汽油混合令）和航空生物燃料计划（Alcohol-to-Jet）提供了潜在的本地化、可持续的原料选择。更重要的是，这项研究为推动从线性的“产生-处置”废弃物管理模式，转向循环生物经济模型提供了具体的科学依据。UTP的利用不仅有助于减少温室气体排放和化石燃料依赖，还能改善城市有机废弃物的管理，同时创造新的价值链，为实现联合国可持续发展目标（SDG 7可负担的清洁能源、SDG 11可持续城市和社区、SDG 13气候行动）做出了贡献。当然，要将这一潜力转化为现实，未来仍需开展研究，评估这种稳定原料在不同预处理条件和生物转化途径（如生物乙醇生产）下的实际性能。
