微生物电合成和微生物燃料电池：将二氧化碳和富含甘油的废水转化为有价值的产物，具有未来整合潜力

《Bioresource Technology》：Microbial electrosynthesis and microbial fuel cells: Transforming CO 2 and glycerol-rich wastewater into valuable products with future integration potential

　　

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  含废水的MES（微生物电合成）?+?CO₂产生252?±?2?mg?L^?1?day^?1的乙酸，是仅含CO₂的MES的2.2倍。
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  添加废水后，碳回收率从14.1?%提高至30.5?%。
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  丙酸（643?±?46?mg?L^?1）与丙酸杆菌属（Propionicimonas）相关；推测存在琥珀酸途径。
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  梭菌属（Sporomusa）通过Wood–Ljungdahl途径进行乙酸合成和碳链延长。
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  微生物燃料电池（MFC）在9天内实现86?%的化学需氧量（COD）去除，功率密度达90.5?mW?m^?2，是一种潜在的能量来源。

引言

生物柴油生产过程中，每生产10?L燃料约产生1?L富含甘油的废水，其中含有甲醇、乙醇、盐类、皂类和未反应的酯类，化学需氧量（COD）较高（Chatzifragkou and Papanikolaou, 2012）。好氧氧化和厌氧消化等常规处理方式对此类复杂废水效果不佳，且好氧处理还伴随着高能耗的曝气成本（Daud et al., 2015）。在应对这一废物管理挑战的同时，将废弃CO₂转化为高附加值产品是向循环生物经济转型中并行且原则上互补的目标。生物电化学系统（BES）将微生物代谢与电化学氧化还原反应耦合，为同时解决这两个问题提供了途径（Singh et al., 2024）。全球CO₂排放量和有机废物量随着工业生物柴油产量的增长而同步上升；因此，能够同时实现废物碳增值和副产物处理的技术对工业界和政策制定者日益重要。微生物电合成（MES）是BES的还原构型，其中电自养或混合营养微生物从阴极接受电子，将CO₂和其他无机碳还原为短链和长链脂肪酸及醇类，主要通过Wood–Ljungdahl途径或逆向三羧酸循环实现（Srivastava et al., 2025）。然而，自养MES受限于低电流密度和有限的产品多样性，这反映了微生物生长受限和阴极电子转移迟缓（Bajracharya et al., 2015）。共投喂还原性有机化合物可通过提供额外的电子源来缓解这一限制，形成产率更高、产物链更长的混合营养MES构型；例如，在极化阴极旁同时供应甲酸盐和乙醇已被证明能增强碳链长度（Izadi et al., 2021）。这一原理支持将生物柴油废水用作MES的共底物：其高还原力和溶解性虽然给环境带来问题，但也使其能够向阴极提供碳和电子，同时实现废物流的增值。发酵细菌可将废水中的甘油、甲醇和乙醇代谢为甲酸盐、乙酸盐或氢气，这些中间产物随后可供自养微生物进一步还原CO₂（Zhang et al., 2023a, Zhang et al., 2023b），从而为阴极提供双重电子源，并支持由电自养菌（如梭菌属（Sporomusa）、梭菌属（Clostridium）、醋杆菌属（Acetobacterium））和发酵菌（如丙酸杆菌属（Propionicimonas）、蛋白菌属（Proteiniphilum）和寡养单胞菌属（Stenotrophomonas））组成的多营养级群落（Arends et al., 2017）。据报道，以这种方式供料的混合营养阴极可提高丙酸和丁酸的形成（Bajracharya et al., 2016, Wang et al., 2023），但稀生物柴油废水作为MES共底物受到的关注甚少，其提高乙酸产量并促进丙酸和丁酸合成的能力尚不清楚。由于一旦引入废水，电自养菌群和发酵菌群将在同一动态化学环境中共存，因此理解它们之间的相互作用对于优化MES以实现废物修复和碳增值的联合至关重要。实现这一潜力需要底物既具有足够的还原性以充当电子供体，又具有足够的丰度以具备实际相关性，而生物柴油废水等工业副产物流恰好满足这些标准。另一方面，微生物燃料电池（MFC）体现了同一生物电化学的氧化侧。阳极细菌将甘油和醇类等复杂有机物氧化为乙酸、丙酸、丁酸、甲酸、氢气和CO₂等中间产物，产电菌属如地杆菌属（Geobacter）和希瓦氏菌属（Shewanella）随后可将产生的电子转移至电极，维持稳定的电流输出，且该电流在很大程度上与有机负荷无关（Halfeld et al., 2022）。由于生物柴油废水富含甘油和醇类，因此也是有效的MFC底物：其电氧化作用可降低COD和污染物负荷，同时产生CO₂和部分氧化中间产物，这些产物可能与还原CO₂的MES途径相容，且如果两个系统能够耦合，原则上可支持碳中和工艺（Suri et al., 2024）。在本研究中，MFC作为一个独立的、互补的系统运行，以确定该废水在生物电化学条件下是否可生物降解和可处理，评估COD去除、底物降解和发电性能；本研究中的MFC不向MES提供CO₂、电子或产物。尽管存在这种潜在的相容性，但MFC和MES此前大多被分开研究，前者用于污染物去除和能量回收，后者用于CO₂增值。一种完全生物替代方案是生物阳极–生物阴极微生物电解池，其中生物阳极氧化有机底物并为生物阴极的析氢反应提供还原力（Lim et al., 2020, Lim et al., 2017）；将这一概念扩展到MES中的CO₂还原是我们正在开展的工作的一部分。

在我们之前的MES研究中，供应甲酸盐和乙醇作为辅助电子供体显著增加了中长链产物的形成，表明电子供体的可利用性调节CO₂还原过程中的碳通量分配，额外的还原当量可将代谢从乙酸方向转向碳链延长途径（丁酸和丁醇）（Izadi et al., 2021）。这促使我们评估复杂的实际废水是否能驱动MES中类似的转变。同时，甘油含量丰富的生物柴油废水中储存的化学能为在MFC阳极氧化该废水提供了依据，可将其转化为更简单的有机物和内部电子源。因此，在本研究中，MES和MFC独立运行，两个系统之间没有代谢产物、CO₂或电能的直接传递，使用实际富含甘油的生物柴油废水，作为未来可能集成前的第一步独立探索，以确定这两种技术在微生物、代谢和电化学方面是否相容。两项实验仅在同一研究中合并进行，以便同一实际废水能提供并行的基线数据（产物、COD去除、功率输出和微生物群落），从而为耦合方案的判断提供依据。由于MFC阳极从与MES共底物相同的废水类别中同时产生电流和部分氧化有机中间产物，理论上耦合配置可能允许MFC输出来抵消MES的部分外部电力需求，同时为CO₂还原提供额外的还原当量，这正是本研究进行相容性评估的假设；耦合的任何益处尚未验证，仅作为未来展望，而非本研究的结果。本研究的创新之处在于将实际稀生物柴油废水投喂至成熟的MES生物阴极、采用开路测试与仅CO₂对照组以区分发酵和CO₂还原，以及用同一废水进行平行MFC处理，而非使用甘油本身（Dennis et al., 2013, Xafenias et al., 2015）。这使得两个系统的微生物、代谢和电化学响应得以评估，仅提供基线相容性数据；MES和MFC的集成未进行测试，仅作为未来展望提出。主要目标是确定低浓度生物柴油废水是否能增强MES中挥发性脂肪酸（VFA）的产量并改变产物形成，特别是提高乙酸产率和促进丙酸及丁酸合成，并评估任何增加是否可归因于CO₂转化而非废水和有机物的直接发酵。在添加废水后，评估了VFA产量、电化学响应、碳回收率和微生物群落组成的变化。MFC实验单独进行，以评估同一废水的COD去除、底物降解和发电性能。

章节摘要

BES装置、接种和运行

MES反应器由双室有机玻璃电池组成，每个电池呈立方体形状，内部容积为60?mL，如图S1(a)所示。每个室顶部安装一个70?mL玻璃容器，用于顶部空间和气体取样。碳刷由缠绕在两根钛丝扭曲核心上的碳纤维组成，用作阴极，详见Logan et al. (2007)。铂网连接到钛丝上用作对电极，Ag/AgCl（3?M NaCl，

添加富含甘油的废水对MES中VFA产量的影响

富含甘油废水的引入将MES-W?+?CO₂反应器的性能和代谢从缓慢的、依赖CO₂的过程转变为多产物生物催化平台，本研究对此进行了深入研究，在恒定阴极电位为?1.0?V（相对于Ag/AgCl）下运行了149天（图1）。在最初的90天运行期间，所有MES（MES-P：废水投加前阶段）仅以CO₂为底物。低代谢活性的特征

结论

本研究评估了实际富含甘油的生物柴油废水作为MES底物以及作为MFC处理原料的性能，两者独立运行。主要发现包括：

(1) 向MES中添加废水使乙酸从1846?±?56?mg?L^?1增加至3495?±?205?mg?L^?1，总碳回收率从14.1?%提高至30.5?%（与仅CO₂相比），并导致丙酸（643?±?46?mg?L^?1）、甲酸和丁酸的形成，而仅CO₂对照组中这些产物含量极低。

(2) 开路测试表明，废水

CRediT作者贡献声明

Mohammad Danish Khan：写作——审阅与编辑、写作——原稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。 Shamas Tabraiz：正式分析、数据管理。 Eileen Hao Yu：监督、资源、项目管理、方法论、资金获取、概念化。

伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物受试者。

利益冲突声明

作者声明，不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢UKRI循环化学经济跨学科中心（EP/V011863/1）、BBSRC高价值生物可再生资源网络POC基金以及BBSRC国家生物膜创新中心（NBIC-Flexible Talent Mobility Account, NBIC-FTMA）的资助。作者还感谢英国Argent Energy提供本研究使用的生物柴油废水。

Mohammad Danish Khan|Shamas Tabraiz|Eileen Hao Yu