《基於微生物電合成原理的二氧化碳回收和轉化機理研究》是依託中山大學，由駱海萍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於微生物電合成原理的二氧化碳回收和轉化機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：駱海萍
- 依託單位：中山大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
開發新型的生物技術進行CO2的回收和資源化利用，對減少溫室氣體排放和實現污水生物處理無害化具有重要意義。微生物電合成系統（Microbial electrosynthesis system, MES）可利用微生物以廢水作為產電基質,並將產生的CO2電還原合成有機酸或甲烷，有望實現廢水的無害化和資源化。然而，MES的關鍵作用機理目前尚不清楚。本研究擬通過電化學條件控制、液相和氣相成分實時分析、分子生物學測定的方法，對MES中陰極材料與電合成產物的關係、陰極控制電勢對生物陰極的影響機制、產乙酸菌和產甲烷菌之間的協同或競爭機制進行深入探討，以期探明電合成活性微生物與陰極之間的電子傳遞機理，實現污水處理過程有機物高效降解及CO2有效回收的目標。研究結果對實現廢水的高效處理和CO2的資源化回收具有重要的科學指導意義。
結題摘要
微生物電合成系統（Microbial electrosynthesis system, MES）可利用微生物以廢水作為產電基質,並將產生的CO2電還原合成有機酸或甲烷，有望實現廢水的無害化和資源化。然而，MES的關鍵作用機理目前尚不清楚。本研究探討了MES在不同陰極電勢下的運行特徵，並通過電子介體的添加探究MES陰極與產乙酸菌之間的電子傳遞方式；探討了生物陽極MES的構建及其效能與間隔膜類型之間的關係，通過電能輸出、陰極還原產物組成、微生物群落結構變化和運行過程中陰極生物膜的形態和生物量等參數的測定系統闡述了MES利用生物能還原CO2產乙酸的特徵。研究結果表明：MES陰極電勢為- 700 ~ - 800 mV的情況下電流密度、庫侖量和乙酸產量均高於其他電勢下的情形。生物陽極MES以雙極膜（Bipolar membrane, BPM）為間隔材料時，相較於採用質子交換膜（PEM）的MES，其陰極產乙酸速率可提高222%，陽極基質降解率可提升32%，電流輸出可提高3.7倍；生物陽極MES的電能耗為19.59 ± 1.59 to 27.09 ± 3.47 kWh/kg，其中陽極生物能的貢獻占比為50%~77.3%；BPM可原位緩解陰極和陽極溶液的pH變化，從而使陰極和陽極生物膜的生物量和活細菌占比都顯著增強;測序結果表明，BPM-MES的陰極表面可保持相對穩定的Acetobacterium豐度，其他的優勢菌還包括產甲烷菌（Methanobrevibacter）和硫酸鹽還原菌（Desulfovibrio）；通過施加紫外光可有效抑制陰極產甲烷作用，保持高的H2產量的同時使能量回收率顯著提高；添加硫酸鹽可促進MES的陰極產乙酸速率，經過12 d的運行，-700 mV下運行的MES陰極乙酸總產量提高233%，生物量提高80%，Desulfovibrio 的豐度顯著增加，從而證實Desulfovibrio可促進陰極與生物膜之間的電子傳遞。相關結果迄今在國際主流期刊發表SCI論文11篇（均為第一或通訊作者），包括Environ. Sci. Technol.（1篇）、J. Hazard. Mater.（2篇，其中一篇為ESI被引3%）、Bioresour. Technol.（2篇）、J. Membr. Sci.（2篇）等,對實現廢水和CO2的高效處理及資源化回收具有重要的科學指導意義。
