藻菌共生与阳离子干预强化藻类微生物燃料电池对低浓度CO2的传递捕获与转化机制研究

本文系统探讨了阳离子类型（Na+/K+）和藻菌共生体系对藻类微生物燃料电池（AMFCs）中低浓度CO2传递、捕获与转化的协同机制。通过分子动力学（MD）模拟揭示K+显著提升CO2/HCO3-扩散效率，实验验证藻菌互作通过调节溶解氧、pH及微生物群落增强CO2固定与生物电化学性能，为分布式碳捕集技术提供新策略。

　　

Highlight

Modeling

通过分子动力学（MD）模拟研究AMFCs saline介质中的CO₂传递行为，重点分析CO₂和HCO₃^-在藻细胞周围的质传过程。构建了藻细胞膜/AMFC saline介质界面模型（图1），模拟三种典型介质环境：50 mM碳酸（H₂CO₃）、50 mM H₂CO₃/NaNO₃混合物及50 mM H₂CO₃/KNO₃混合物。

Diffusion of CO₂ and HCO₃^- near algae cells

首先通过均方位移（MSD）和扩散系数分析质传能力。图3a显示，在含有CO₂输入形成的HCO₃^-/CO₃^2-缓冲对的AMFCs中，原本用于提升电导率的无机盐意外促进了CO₂扩散，且不同阳离子效果差异显著。纯碳酸介质中CO₂扩散系数为1.39×10^-9 m²·s^-1，而添加50 mM NaNO₃或KNO₃后分别提升至——

Conclusions

本研究揭示了 saline介质中阳离子与藻菌共生对低浓度CO₂在AMFCs中传递、捕获与转化的影响机制。通过构建藻细胞膜/saline介质界面MD模型，发现K⁺可促进CO₂和HCO₃^-从介质本体向藻细胞表面的扩散过程，其扩散系数显著提升（CO₂增加74%，HCO₃^-增加70%）。SEM图像证实K⁺诱导藻细胞膜产生更多褶皱与凹陷，延长CO₂/HCO₃^-局部滞留时间。藻菌共生通过调控溶解氧、pH及微生物群落协同增强CO₂固定与生物电化学性能，为低碳分布式能源技术提供新见解。