引导生物电化学CO2还原以实现产甲烷菌抑制和产乙酸菌生物强化

《Bioengineering》：Steering Bioelectrochemical CO2 Reduction Toward Methanogens Suppression and Acetogen Bioaugmentation

　　

生物策略将二氧化碳（CO₂）转化为有价值的化合物是实现碳中和未来的有吸引力的方法。生物电化学系统（BESs）代表了一种控制微生物代谢的创新策略，其中采用电化学技术来刺激还原和氧化过程。产乙酸和产甲烷是厌氧环境中通常存在的两种主要的CO₂还原化能自养途径。由于产乙酸菌和产甲烷菌之间的互养和竞争关系，应采用产甲烷抑制策略来引导CO₂还原朝向乙酸和脂肪酸。在这项工作中，通过在热休克和酸处理接种物中生物强化（bioaugmentation）Acetobacterium woodii，产生了产乙酸菌富集的接种物。然后，使用H型电池反应器，在不使用任何化学抑制剂的情况下，通过施加先前从生长动力学评估中确定的稀释速率（dilution rate），在半连续模式下测试了这种接种物。在?0.9 V和?0.7 V vs. SHE（标准氢电极）下进行的生物电化学测试显示，产乙酸作用超过了产甲烷作用。在?0.7 V vs. SHE下，在没有和有生物强化的情况下，乙酸盐产量分别为0.0385 ± 0.009 mmol d^?1和0.0343 ± 0.010 mmol d^?1，乙酸盐阴极库仑效率（CCEs）分别为68%和64%。在?0.9 V vs. SHE下，生物强化显著减少了产甲烷作用，将甲烷产率从0.105 ± 0.012 mmol d^?1降低到0.007 ± 0.004 mmol d^?1，而乙酸盐产量达到0.061 ± 0.025 mmol d^?1，CCE为43%。最后，通过生物阴极的循环伏安法（cyclic voltammetry）证明了生物强化的效果，显示由于Acetobacterium woodii的存在，生物催化活性增加。

论文解读文章

**研究背景与问题**
人为二氧化碳（CO₂）排放是全球气候变化的主要驱动因素之一，亟需开发可持续技术以缓解大气CO₂积累并促进资源回收。生物转化CO₂为高附加值化学品，作为碳捕集与利用（CCU）的关键环节，符合循环生物经济理念。在混合微生物培养（MMCs）中，产乙酸和产甲烷是两种主要的化能自养CO₂还原途径，均依赖Wood–Ljungdahl途径固定碳，但产物截然不同：产乙酸生成乙酸等平台化学品，而产甲烷生成甲烷。然而，由于产甲烷菌具有热力学优势，在适宜条件下通常主导CO₂转化，导致乙酸产量受限。现有抑制产甲烷的策略，如添加2-溴乙烷磺酸盐（BES/BESA）等化学抑制剂，虽有效但增加成本并可能干扰微生物群落；热/酸预处理虽能暂时抑制产甲烷菌，但在连续运行中易恢复；纯培养产乙酸菌则需严格无菌条件，操作复杂且难以规模化。因此，亟需开发无需化学抑制剂即可稳定维持产乙酸活性的替代策略。本研究旨在通过结合接种物预处理、Acetobacterium woodii生物强化以及生物电化学过程控制，探索在混合培养体系中选择性促进产乙酸、抑制产甲烷的可行性，为可持续CO₂转化提供新思路。论文发表在《Bioengineering》。

**关键技术与方法**
研究人员采用以下主要技术方法：
1. **接种物制备与预处理**：以来自意大利东北部某实际污水处理厂的活性污泥和厌氧消化液（1:1混合）为起始接种物，经干燥后依次进行热预处理（120°C，2 h）和酸预处理（pH 2，48 h），以抑制产甲烷菌并筛选产孢产乙酸菌。部分接种物通过加入活跃生长的Acetobacterium woodii DSM 1030进行生物强化，获得产乙酸菌富集培养。
2. **H型电池生物电化学系统**：采用双室H型反应器，以阴离子交换膜（AEM）分隔，石墨棒为阴、阳极，Ag/AgCl参比电极，恒电位仪控制阴极电位分别为?0.7 V和?0.9 V vs. SHE。反应器在无有机碳源的自养条件下半连续运行，稀释率（D_rate）设定为实验测定的最大比生长速率（μ_max）的50%，通过每日更换培养基（43 mL/d，水力停留时间4.6天）维持微生物生长并抑制产甲烷菌附着。
3. **分析与表征方法**：气相色谱测定H₂、CO₂、CH₄浓度；液相色谱测定乙酸等羧酸；分光光度法（OD₆₀₀）监测生物量，并转化为挥发性悬浮固体（VSS）浓度。通过质量平衡计算产率，阴极库仑效率（CCE）评估电子回收率，效率比（ER）评价生物强化效果。实验结束时对生物阴极进行循环伏安法（CV）扫描，分析电化学活性。

**研究结果**
**3.1 阴极电位和生物强化对生物电化学反应器中CO₂还原的影响**
研究人员通过比较?0.7 V和?0.9 V vs. SHE两种阴极电位以及有无Acetobacterium woodii生物强化，评估了半连续运行下反应器的性能。在初始7天批次模式下，两种电位下μ_max相近（0.413 ± 0.016 d^?1），表明生长动力学相似。
- **?0.7 V vs. SHE**：无论是否生物强化，乙酸产量稳定（约0.85 mmol/L），甲烷产量极低（产率分别为0.0039 ± 0.001和0.0002 ± 0.001 mmol d^?1），次级羧酸仅少量生成，以戊酸为主。乙酸CCE分别为68%（无生物强化）和64%（有生物强化），总酸CCE达79.5%和70.6%，表明该电位下产乙酸占绝对优势。
- **?0.9 V vs. SHE**：无生物强化时，甲烷大量积累（浓度约2 mmol/L，产率0.105 ± 0.012 mmol d^?1，CCE 58%），乙酸产量相对较低（CCE 36%）；生物强化后，甲烷浓度从第15天后逐渐下降至0.4 mmol/L（CCE 5%），乙酸浓度保持约2.15 mmol/L（CCE 43%），总酸CCE为50.5% vs. 41%。生物强化使甲烷产率降低一个数量级以上，同时维持了较高的乙酸产量。
生物量浓度变化显示，?0.7 V下悬浮生物量在15–20天后下降，但乙酸产量稳定，提示活性群落可能更多附着于电极表面；?0.9 V下无生物强化时生物量维持较高，与甲烷高产一致。氢气累积分析表明，?0.7 V下氢气几乎无积累，而?0.9 V下生物强化反应器中氢气显著积累（约0.13 mmol），暗示生物强化改变了还原当量的竞争，促进了产乙酸而非氢营养产甲烷。

**3.2 生物阴极的电化学表征**
实验结束时对生物阴极进行循环伏安法（CV）分析。非生物电极在约?1.3 V vs. SHE处出现电流起始，而所有生物电极均显示增强的阴极电流，证实了电活性生物膜的形成。
- **?0.7 V vs. SHE**：生物强化阴极表现出更高的阴极电流和更大的电容响应，表明其生物膜覆盖更广泛、电化学活性更强，且电流起始电位更正，即氢析出所需能量更低，这与该条件下优越的产乙酸性能一致。
- **?0.9 V vs. SHE**：两种接种物阴极的催化电流响应相近，但生物强化电极仍显示更高的电容电流，提示更强的生物膜发育能力，尽管催化活性差异不大。

**讨论与结论**
**讨论部分总结**：本研究最关键的发现是，在不添加化学产甲烷抑制剂的情况下，通过操作参数（接种物预处理、稀释率和阴极电位）的联合优化，成功促进了混合培养中的选择性产乙酸。?0.7 V vs. SHE条件下持续的低甲烷产量和稳定的乙酸产量表明，该方法比依赖化学抑制剂更为可持续，且避免了微生物群落干扰。稀释策略（D_rate = 50% μ_max）持续去除悬浮微生物，而阴极电位则调控了产乙酸与产甲烷的竞争。?0.7 V下较低的氢气可用性限制了产甲烷菌，而?0.9 V下较高的还原力促进了产甲烷，但生物强化通过Acetobacterium woodii的引入有效抑制了甲烷积累，并增强了生物阴极的稳定性和电化学活性。循环伏安分析进一步证实生物强化促进了更厚、更电活性的生物膜形成。该研究为混合培养生物电化学系统（BESs）中无需无菌条件或化学抑制剂的CO₂定向转化提供了可扩展的框架，在废水处理、工业废气资源化方面具有重要应用前景。

**研究结论翻译**：本研究调查了在半连续混合微生物培养（MMCs）生物电化学系统中，无需化学产甲烷抑制剂情况下的选择性CO₂转化。基于接种物预处理、受控稀释速率和阴极电位的联合策略，成功促进了产乙酸活性，同时限制了甲烷生成。在所研究的操作条件中，阴极电位?0.7 V vs. SHE产生了最高的乙酸选择性和最低的甲烷产量，表明中等还原电位有利于混合培养BES中产乙酸作用超过产甲烷作用。相反，在?0.9 V vs. SHE下，无生物强化时甲烷生成增加，凸显了阴极电位在决定过程选择性中的关键作用。用Acetobacterium woodii进行生物强化显著改善了高还原条件（?0.9 V）下的过程稳定性，大幅降低了甲烷积累，同时维持了乙酸产量。循环伏安法分析进一步表明，生物强化增强了生物阴极发育和电化学活性，支持了更稳定的产乙酸生物膜建立。总体而言，所获得的结果证明，通过基于过程的运行控制，无需添加BESA，即可在混合微生物培养中实现选择性产乙酸。然而，所提出的操作策略为引导混合培养生物电化学系统从含CO₂废物流中生产高附加值羧酸，提供了一种可扩展且无抑制剂的方法框架。