正弦电压抑制电活性生物膜形成阻碍CO2甲烷化电子传递的机制研究

本文首次揭示了可再生能源振荡电压对微生物电化学系统(MESs)中CO2甲烷化的抑制作用机制。研究发现正弦电压通过抑制仅含甲烷八叠球菌(M. barkeri)阴极的电活性生物膜形成，阻碍电子传递过程。该电压在较厚双电层中产生更高平均电流密度，导致阴极表面Na+浓度升高和pH值变化，进而抑制质子泵能量生成及电子转移酶活性。当电压在-4.0至-1.0V波动时，CH4产率和法拉第效率分别降至37%和18%，为优化可再生能源存储技术提供了重要依据。

　　

Highlight亮点

本研究首次揭示了可再生能源产生的振荡电压对微生物电化学系统(MESs)中CO₂甲烷化的影响机制。正弦电压会抑制电活性生物膜的形成，阻碍在仅含甲烷八叠球菌(M. barkeri)阴极上进行的CO₂甲烷化电子传递过程。

Effect of sinusoidal voltage on biofilm distribution 正弦电压对生物膜分布的影响

如图1所示，不同工作电压下M. barkeri的成膜分布存在显著差异。MESs的运行效率与生物膜形成密切相关：高覆盖度的生物膜和细胞-EPS复合物能降低电子与质量传递阻力，产生更高反应电流并提升反应速率。然而，较小且薄的生物膜会降低MESs的电化学性能和阴极电甲烷反应速率。

Conclusions 结论

与稳定电压相比，正弦电压提供了更低的电势，导致更高的平均电流密度，从而使阴极产氢速率提升。H⁺的过度消耗导致阴极表面Na⁺浓度和pH值升高。H⁺与Na⁺浓度差异使得质子泵难以耦合产生甲烷菌所需能量，进而抑制了直接电子传递(DET)和间接电子传递(IET)相关基因的表达。