《BioEnergy Research》：A Preliminary Study on Producing Volatile Fatty Acids from Winter Cover Crops
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研究人员旨在评估早期收获的冬季覆盖作物生物质的经济利用难题，探索了通过抑制产甲烷的厌氧消化(AAD)技术将其转化为挥发性脂肪酸(VFAs)的可行性。该研究选取五种覆盖作物，分析了不同收获期对其生物质组分及VFAs产量的影响。结果表明，早收作物可获得相当或更高的VFAs产量，且预计收益可观，为覆盖作物的增值利用提供了新途径。这项研究发表于《BioEnergy Research》，证明了AAD是处理早收覆盖作物生物质的适宜技术。
在美国中西部，冬季的农田常常休耕，这不仅是一种资源闲置，还可能带来水土流失等问题。为了给土地“盖被子”，农民们会种植冬季覆盖作物。这些作物能改善土壤健康、固碳减排，生态效益显著。然而，它们的“经济账”却一直算不明白——种植覆盖作物可能短期内拖累主粮作物的产量和利润，使得许多农民望而却步。如何让这些绿色的“守护者”也能产生真金白银的价值，成了一个亟待解决的难题。
传统上，覆盖作物生物质要么被直接翻入土中，要么用作牲畜饲料。但研究人员想到了一条更具潜力的出路：将其转化为生物能源。其中，厌氧消化(AD)是常用的生物转化技术。但问题随之而来：在气候寒冷的美国中西部北部地区，为了不耽误春季主粮作秧，覆盖作物往往需要提前收割。此前的研究发现，这些尚未成熟的早收生物质在进行传统厌氧消化时容易“酸败”，导致产甲烷失败。这仿佛是给早收作物的能源化利用泼了一盆冷水。
但智慧的科学家们善于变废为宝。他们从一次失败中看到了新的机遇：既然早收作物容易导致系统酸化，那何不顺势而为，专门生产酸呢？于是，一项聚焦于利用“抑制产甲烷的厌氧消化(Arrested Anaerobic Digestion, AAD)”技术，从冬季覆盖作物中生产高附加值平台化学品——挥发性脂肪酸(Volatile Fatty Acids, VFAs)的研究应运而生。这项研究旨在探索一条既能有效利用早收覆盖作物生物质，又能创造经济收益的双赢路径。相关成果发表在学术期刊《BioEnergy Research》上。
为了开展这项研究，作者团队运用了几个关键的技术方法。研究在美国伊利诺伊州立大学农场进行，选取了野生遏蓝菜、CoverCress?、一年生黑麦草、谷物黑麦和豌豆这五种适合美国中西部的冬季覆盖作物，于2023年秋季大豆后播种，并在2024年春季三个不同生长阶段（4月19日、5月13日、6月5日）进行收获，以研究收获时间的影响。核心实验是批次AAD实验：在0.5升玻璃反应器中，以挥发性固体(VS)计，按4:1的投料/接种物比例，在37°C中温条件下进行消化，并通过添加2-溴乙烷磺酸盐(19 mmol/L)来抑制产甲烷过程，使代谢停留在产酸阶段。生物质的化学成分（如粗蛋白、酸性洗涤纤维(ADF)、中性洗涤纤维(NDF)、纤维素、半纤维素、木质素等）委托商业实验室（Midwest Laboratories）采用AOAC等方法进行测定。反应产生的VFAs（包括乙酸、丁酸、丙酸、己酸和戊酸）则通过配备火焰离子化检测器(FID)的气相色谱(GC)进行定性和定量分析。数据的统计分析（如ANOVA、Tukey HSD检验）使用RStudio软件完成。
研究结果
生物质产量与组成
在第三次收获时测得的覆盖作物地上部干物质产量中，一年生黑麦草和谷物黑麦的产量显著高于文献报道的平均值，而野生遏蓝菜的产量则低于报道范围。收获时间显著影响了生物质的组成。随着作物成熟，所有覆盖作物的蛋白质含量下降，而木质素含量则显著增加。例如，豌豆在第一次收获时蛋白质含量最高（29%），而谷物黑麦在第三次收获时蛋白质含量最低（8.40%）。野生遏蓝菜在第三次收获时木质素含量最高（11.85%），谷物黑麦在第一次收获时木质素含量最低（3.50%）。半纤维素和纤维素含量因物种而异，随收获期推后呈增加或变化不大的趋势。
冬季覆盖作物的VFAs生产
AAD保留时间的确定
以第一次收获的野生遏蓝菜生物质为原料，比较了4天、8天和16天保留期的总VFAs产量，发现三者无显著差异。因此，后续实验均采用4天的保留期。
总VFAs产量
所选冬季覆盖作物的总VFAs产量范围在0.08–0.30 g/g-VS之间，与玉米秸秆、稻草等其他木质纤维素生物质的报道值相当。其中，豌豆的VFAs产量相对较高，这可能得益于其较高的蛋白质和较低的木质素含量。收获时间对野生遏蓝菜、CoverCress?和豌豆的VFAs产量有显著影响，从第一次到第三次收获，产量分别下降了44.4%、40.5%和20.8%。这种下降可能与作物成熟过程中蛋白质减少和木质素增加有关。相反，对于一年生黑麦草和谷物黑麦，收获时间对总VFAs产量没有显著影响。最重要的是，与传统厌氧消化不同，早收覆盖作物获得了相似甚至更高的VFAs产量，这证实了AAD是处理这类物料的可行技术。
单个VFA的分布
在所有实验条件下，乙酸、丁酸和丙酸是三种主要的VFAs，占总产量的94%以上。戊酸和己酸的产量较低。一般来说，随着收获时间推移，乙酸的百分比增加，而丁酸的百分比减少。收获时间显著影响了五种覆盖作物中乙酸和丁酸的百分比，但对谷物黑麦的丙酸百分比影响不显著。
收益估算
基于第三次收获的生物质产量、测得的VFAs产量及相应的市场单价，估算了潜在收益。在本研究获得的较高生物量产量下，谷物黑麦的预估收益最高，可达每公顷2078美元。若采用文献报道的平均生物量产量（谷物黑麦和一年生黑麦草按5吨/公顷计），则谷物黑麦的预估收益约为每公顷548美元，豌豆的收益则略高于每公顷1000美元。作为对比，玉米的收益大约为每公顷2000美元。因此，从VFAs中获得的预估收益是相当可观的。此外，如果早收覆盖作物能在收获后立即用于AAD，还能降低储存成本。不过，本研究是初步估算，未包含生物质收获、AAD运营以及VFAs回收与纯化等相关成本，后者可能占总生产成本的40%。
结论与讨论
本研究评估了五种美国中西部冬季覆盖作物通过抑制产甲烷厌氧消化生产挥发性脂肪酸的潜力。研究发现，收获时间显著影响生物质产量、组成和VFAs产量。随着作物成熟，蛋白质含量下降，木质素含量上升。VFAs产量范围为0.08至0.30 g/g-VS，其中乙酸、丁酸和丙酸是主要成分。关键的是，早收覆盖作物获得了与传统晚收相似或更高的VFAs产量，这与传统产甲烷厌氧消化的表现相反，从而验证了AAD技术对于利用早收覆盖作物生物质的适用性。收益估算显示，从覆盖作物衍生VFAs中可以获得可观的经济回报，这为冬季覆盖作物提供了一条除生态效益外的潜在增值途径，有助于提高农民种植覆盖作物的经济动力，促进农业可持续发展。然而，本研究受单季、单点的限制，未来的中试规模实验和全面的经济技术分析，特别是针对VFAs高效回收与纯化技术的成本优化，将是推动该技术走向实际应用的关键。
