【文献交流】嗜盐型CO₂固定微生物作为生物催化剂提高微生物电合成产能效率

文章摘要

在这里，我们使用以弧菌和梭菌为主的富含 CO2 的固体岩石微生物群落测试了 CO2 中有机酸的微生物电合成 (MES)。在报告的 MES 研究中，与常用的非盐电解质相比，在盐条件下以约 46% 的高能量效率 (EE) 和 2.3V 的低电位产生了 379±53mg/L 乙酸和 187±43mg/L 甲酸。

研究背景

二氧化碳是地球上最丰富的碳源之一，过去几十年来，它在大气中的快速积累引发了各种全球环境和社会问题。为此，碳捕获、利用和储存已成为处理人为二氧化碳排放的一种有前途的方法。各种研究都报告了 MES 的高库仑效率，但 MES 的能源效率仍然很低。在 MES 研究中使用盐电解液代替非盐电解液已被引用并被提议作为一种有前途的解决该问题的方法。本文献研究的目的是使用海洋沉积物中富含二氧化碳的固定微生物培养物作为生物催化剂，研究盐条件下的 MES。

主要研究内容与结果

首先，本文观察了在接种了嗜盐 CO₂ 固定微生物富集培养物的 MES 反应器中，在多个批次循环中生物生产甲酸和乙酸的情况。从图 1 可以看出，接种后 24 小时内立即开始产生有机酸，这反映了微生物在提供的生长条件下的快速生长和活性。在三重重复反应器中，有机酸的产量在批次循环的第二天或之后达到稳定水平。在第二个批次循环的第三天，乙酸浓度达到 379±53mg/L，甲酸浓度达到 187±43mg/L。与在盐条件下报告的 MES 研究中 CO₂ 的低且瞬时产量相比，本研究中的甲酸产量相当高且稳定，并且在对照实验中既没有产生乙酸也没有产生甲酸。这些发现证实了嗜盐 CO₂ 固定微生物将 CO₂ 固定为有机酸的能力。

图 1 接种嗜盐 CO₂ 固定微生物培养物的 MES 反应器中三批循环乙酸和甲酸的生成曲线

接下来本文对MES体系进行了电化学分析。如图2所示，在MES实验结束时，用循环伏安法记录到的生物阴极的析氢电位明显低于非生物阴极，说明微生物可以直接吸收电子，也可以通过阴极表面电化学产氢。如图3所示，在计时电流法实验中，三个MES反应器的生物阴极的阴极电流消耗都较高，约为-0.71mA/cm²，而对照反应器的约为-0.076mA/cm²。这表明微生物活性使得生物阴极能够发生较高的电催化反应。

图2 三种MES反应器不同条件下阴极循环伏安图

图33 3个MES反应器的阴极电流密度分布

该工艺的库仑效率 (CE) 为 95.27 ± 6%，如表 1 所示。所有分析产品中的电子回收率均优于或与先前在盐条件下培养的嗜盐微生物的 MES 研究结果相当。

表1 从三个重复MES反应器获得的关键生物生产参数的综合数据

然后通过分析两个MES反应器的接种源和阴极液的16s-rRNA基因扩增子序列了解微生物群落组成。接种源和反应器阴极液中相对序列丰度最显著的类群属于弧菌属，分别占82%、87%和82.3%（图4）。该结果揭示了弧菌的优势，而该属微生物的CO₂固定能力尚未见报道，从而揭示了该属微生物的多样性代谢能力。

图4 接种源及两个MES反应器中嗜盐微生物群落相对序列丰度数据

最后，评估电合成工艺效率时要考虑的关键因素之一是工作电池电压。嗜盐微生物培养物允许使用导电电解质，通过降低电池电压来改善系统的性能，从而提高工艺的能量效率。在以前使用非盐电解质的 MES 研究中，据报道，当电池电压值大于 2.8 V 时，能量效率低于 34%。在本研究中，导电阴极电解液降低了欧姆电阻，从而在电池电压值为 2.32±0.08 V 的有机酸和氢产品中实现了高达 46% 的高工艺能量效率。

总结与见解

本文的亮点是证明了嗜盐性二氧化碳固定微生物是盐条件下节能 MES 的有前途的生物催化剂。这项关于高效二氧化碳还原和异常稳定的甲酸生产的研究为在盐条件下开发具有电化学兼容性的 MES 技术带来了希望。

对于文章中提到的提高阴极电位略高于发生析氢反应的电位，以保证氢气不断供应给微生物，使微生物吸收电子的方法，我们实验中可以参考此操作，在反应过程中稍微提高还原电位，观察2,2-联吡啶是否能被更充分地还原，使反应更好地进行。

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