人工电子媒介体阴极强化丁醇的微生物电合成及其催化过程调控

Microbial electrosynthesis (MES), which uses renewable energy from solar, wind and microbial fuel cells to efficiently drive autotrophic microbes to convert inorganic CO2 to organic chemicals, is not only a technology that uses integration engineering to fix CO2, but also provide new solution to storage of renewable energy. The bottleneck of MES includes the low efficiency on obtaining electricity of autotrophic microorganisms in MES, which causes the energy supply and the conversion of microbial CO2 can not be effectively adapted, at the meanwhile, the main product value of the microbial electrosynthesis is too low to be practically used. Therefore, in this project we would like to construct a series of Prussian blue artificial electron mediator modified MES cathode, and use C. ljungdahlii MM5007 as a biocatalyst to carry out a study on how to enhance the microbial electrosynthesis of butanol and the research of its catalytic processing regulation. According to this project, we will explain the mechanism how artificial electron mediator can enhance the MES electron transfer and elucidate the molecular response mechanism of electron-assisted microorganism in the electrochemical regulation of butanol production, and provide an important theoretical basis to construct a manufacturing platform for microbial electrosynthesis of various chemicals.

微生物电合成（MES）利用太阳能、风能及微生物燃料电池所生产的可再生电能,有效地驱动电自养微生物将无机CO2转化为有机化学品，是利用工程集成解决CO2转化的技术，其也为可再生能源的储存提供了新思路。针对目前MES中存在的电自养微生物电能获取效率低下，能量供给与微生物CO2转化无法进行有效的适配，微生物电合成产品附加值不高，难以实际应用的问题，本项目拟通过原位生长的方法构建制备一系列普鲁士蓝人工电子媒介体修饰MES阴极，并以C. ljungdahlii MM5007为生物催化剂，开展强化丁醇微生物电合成及其过程调控的相关研究。通过本项目的研究，我们将诠释人工电子媒介体增强MES电子传递的机制，阐明电子养微生物在电化学调控下合成丁醇的分子响应机制，并为建设微生物电合成条件下的多种化学品的制造平台提供重要的理论基础。

在微生物电合成系统中，炭基材料如石墨和石墨烯是常用的电极材料，但其往往有着高的憎水性，而一些导电聚合物有着生物相容性，但其缺少电化学催化活性。本项目针对MES体系中电极材料无法兼顾导电性与生物相容性的问题，通过原位生长的方法制备一系列普鲁士蓝人工电子介体纳米颗粒（PBNC）修饰MES 阴极，旨在提高电极本身及电极向电自养微生物传递电子速率的同时，增强其生物相容性，从而进一步降低MES 体系中的总内阻，实现MES 系统中外源能量供给系统向电自养微生物CO2 转化系统的高效电子传递。.通过对普鲁士蓝、Co（OH）2和Co3［Fe（CN）6］2三种不同的人工电子介体的大量调研和预实验表征分析，验证了电子介体材料能够增强MES的性能，并筛选出性能最佳的普鲁士蓝作为本实验的主要研究目标。通过电化学沉积的方法对碳毡电极表面进行改性，并直接在碳毡材料原位生长出PBNC。通过动态接触角实验发现，经过PBNC修饰过后的电极材料亲水性能大大提高。通过CV、EIS等电化学表征分析发现，PBNC修饰电极具有较强的电化学活性。通过不同沉积层数的PBNC和未修饰的材料作为MES阴极进行微生物电合成实验发现：经过PBNC修饰后的电极材料大大提高了MES体系中产乙酸的速率，电极表面的电子传递速率得到了显著的提高。其中，沉积层数为10层PBNC的修饰组，其乙酸平均产率达到了 0.20 ± 0.01 g L -1 d -1，是对照组的2.3倍。其MES反应器运行21天后，其乙酸的最终浓度达到4.24 ± 0.23 g L-1，库伦效率达到63 ± 0.8 %。.本实验证明了，PBNC具有极强的生物相容性，其通过对MES阴极电极材料的改性，增加了其比表面积和亲水性，更加有利于微生物菌群的生长和生物膜的形成。由于其自身的强导电性，它可以进一步调节和增强混合微生物菌群中产电菌属——Arcobacter菌属的相对丰度，从而提高了MES体系的CO2还原的效率。