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在微生物电合成（MES）中，甲醇虽可助力从二氧化碳和甲醇生产丁酸，但运行参数对丁酸形成的影响不明。研究人员通过控制 pH 值运行平板 MES 反应器，发现 pH 6 时丁酸选择性最高（86.9±1.5%）。该研究为优化 MES 生产丁酸提供了关键依据。
在当今追求可持续发展的时代，二氧化碳（
CO2）的资源化利用成为科研热点。大量
CO2因人类活动排放，若能将其转化为高价值产品，对实现碳循环和发展循环经济意义重大。微生物电合成（MES）技术应运而生，它利用厌氧微生物作为催化剂，借助外部电能将
CO2转化为有机化合物。然而，目前 MES 生产的主要产物醋酸市场价值有限，制约了该技术的工业化。将醋酸升级为丁酸这类高价值化合物（约 1500 � t?1）成为突破方向，且食品和制药行业更青睐生物来源的丁酸。此前，虽有研究探索从
CO2生产丁酸，但存在诸多问题，比如生产速率和选择性有待提高，且运行参数对丁酸生产的影响尚不明确。在此背景下，研究人员开展了此项研究，旨在探究 pH 对甲醇辅助 MES 生产丁酸的影响。该研究成果发表在《Bioelectrochemistry》上，为优化 MES 生产丁酸提供了重要参考。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是搭建两室平板反应器，通过控制阴极 pH 值（5.5、6 和 7）进行实验；二是采用多种分析方法，如气相色谱法（GC）测定挥发性脂肪酸（VFAs）和醇类，总有机碳分析仪测定总无机碳（TIC）等；三是利用宏基因组学技术，对微生物群落进行分类和功能分析；四是运用热力学模型，评估实验结果与理论预测的一致性。
3. 研究结果
- 3.1 pH 对 VFA 生产的影响
- 3.1.1 生产速率和滴度：在不同 pH 值下运行 MES 反应器，结果显示主要产物均为正丁酸（以下简称丁酸）。pH 7 时醋酸产量最高，而丁酸产量在 pH 6 和 7 时相似且高于 pH 5.5。pH 6 时丁酸选择性最高（86.9±1.5%），pH 7 时虽 VFA 总产量高，但丁酸选择性较低（69.8±7.7%）。
- 3.1.2 碳和电子回收率：pH 影响甲醇和CO2的利用。pH 7 时甲醇消耗最多，pH 5.5 时二者利用均受阻，导致 VFA 产量最低。碳回收率在 pH 7 时最高（87.7±12.2%），但该条件下丁酸选择性降低。电子回收率受H2积累影响，pH 7 时考虑H2后的电子回收率最高（91.3±4.8%）。
- 3.1.3 强化采样和 ORP：在第二次运行时进行强化采样，发现不同 pH 值下底物利用和 VFA 生产模式不同。pH 7 时醋酸先产生后消耗，同时生成丁酸；pH 5.5 和 6 时丁酸生产模式不同。氧化还原电位（ORP）在不同 pH 值下呈现不同变化，且受阴极电位等多种因素影响。
- 3.2 实验结果与热力学的一致性评估：通过热力学模型评估，发现丁酸生产在热力学上比醋酸更有利，但实验中醋酸和丁酸的生产情况与理论预测存在差异。pH 7 时醋酸积累，而 pH 5.5 和 6 时醋酸产量低，可能与甲醇利用受阻有关。
- 3.3 微生物培养
- 3.3.1 生物膜和悬浮细胞的宏基因组分析：不同 pH 值下微生物群落结构不同，生物膜和悬浮样品也存在差异。Eubacteriumcallanderi在所有 pH 值下均占主导地位，其相对丰度随 pH 升高而增加，且在生物膜中更丰富，与丁酸产量变化一致，表明其可能对丁酸生产有贡献。此外，Proteiniphilumacetatigenes在 pH 7 时存在，可能与该 pH 值下高醋酸产量有关；Cellulomonascitrea在悬浮样品中相对丰度较高，但其作用尚不清楚。
- 3.3.2 甲醇和CO2合成丁酸的潜在途径：甲醇和CO2可通过伍德 - 林德达尔途径（WLP）同化，Eubacteriumcallanderi是主要贡献者。但丁酸合成途径存在多种可能，如反向 β - 氧化途径（RBO）、脂肪酸生物合成途径（FAB）等，不同途径相关酶的基因在微生物群落中均有发现，Eubacteriumcallanderi在其中发挥重要作用，但具体机制仍需进一步研究。
研究结论表明，在甲醇辅助 MES 中，pH 6 时丁酸选择性最高，pH 6 和 7 时丁酸生产速率最高。热力学模型可部分预测实验结果，但需综合考虑动力学和微生物代谢等因素。宏基因组测序发现Eubacteriumcallanderi在所有 pH 值下占主导，可能通过 WLP 同化甲醇和CO2，并通过 RBO 途径生产丁酸。该研究为优化甲醇辅助 MES 生产丁酸提供了理论基础，有助于推动生物电化学合成技术在高价值化学品生产中的应用，为实现CO2的资源化利用和可持续发展提供了新的思路和方法。
