提高微生物电解池固定CO2合成CH4的效能研究和机理解析

Conversion of carbon dioxide (CO2) to valuable hydrocarbon are located at the forefront of CO2 reduction research. Rapidly developing microbial electrolysis cells (MECs) are part of a diverse platform of sustainable CO2 ultilization process. As far as we are aware, the production of multicarbon oganisms is lower and hard to be separated. Therefore, it is believed that conversion of CO2 into CH4 by MECs is a promising technology. However, set potential (> -0.7 V (vs Ag/AgCl)) as well as byproduct actate making against CH4 production. In order to enhance production of CH4 from MECs, it is first time to use nitrogen-drop carbon nanotubes（NCNTs）modified carbon cloth composite cathodic materials to reduce the overpotential. Moreover, doubling the gas diffusion area by adding an additional air cathode to provide a suitable biofilm microenvironment to preferentially retain a higher abundance of the slow-growing Methanogens. Meanwhile, pre-enriched acetophilic methanogenic culture will be added into reactors to avoid accumulation of actate. Also, mechanisms for CH4 production by MECs will be explored from microorganisms, pathways and electron transfer. Furthermore, an MECs-MFCs coupled system for CH4 poduction from waste water will be developed.

温室气体CO2已成为全世界关注的焦点，CO2的固定及资源化利用受到广泛重视。近年来微生物电解池（MECs）固定CO2合成碳氢化合物已成为研究热点。现阶段生物电合成双碳及以上化合物还存在产率低、产物难分离的缺陷，而通过MECs固定CO2合成CH4是一项具有应用潜力的技术。目前，CH4合成外加电压较高（-0.7~-1.2（vs. Ag/AgCl）），并有副产物乙酸的产生。为提高MECs合成CH4的效能，本项目首次以氮掺杂碳纳米管（NCNTs）修饰碳布构建复合阴极，降低CO2还原过电势；在此基础上，构建双阴极MECs系统，增加CO2传质空间；同时富集乙酸型产甲烷菌，避免乙酸积累。通过对微生物群落结构、甲烷合成路径和电子转移机制等方面的研究揭示MECs合成甲烷的机理。最后将MECs 与MFCs偶联原位处理生活污水并还原有机物降解释放的CO2合成CH4，为生物电合成实现CO2的循环利用提供技术支撑。

温室气体CO2的排放是全球关注的问题。本项目利用微生物电解池(MECs)首次提出一项将CO2原位还原，资源化合成能源物质生物甲烷的技术：即将MECs与厌氧发酵系统偶联于单室不锈钢体系中，对有机废弃物进行厌氧消化，产生的电子传递至阴极，在补充1.0V电压下，不锈钢桶壁作为环状阴极，经镍等材料的催化作用，质子在阴极得电子还原为氢气，功能微生物利用氢气将厌氧发酵产生的多余的CO2高效固定，迅速还原为CH4。在本系统中，CO2在气体中的比例由43.1%下降至2%以下，与此同时，CH4的比例大幅度提高，由56.9%上升至98%以上，且产量提高了2.3倍，成为高附加值的生物甲烷。对微生物群落结构研究发现，嗜氢产甲烷菌的丰度高达78.9%。结合电子转移机制的研究，本研究提出在系统中CH4的合成路径有两种：乙酸分解合成CH4和H2还原CO2合成CH4。接下来，通过对具有电子传递功能的微生物Geobacter sp.的培养，构建起了Geobacter sp.与嗜氢产甲烷菌的复合菌群，将CH4的产量进一步提高了24%，达到360.2 ml/g COD。机理研究指出，嗜氢产甲烷菌可能接受了来自Geobacter sp.传递的电子，从而提高了体系的电子传递效率，降低了CO2还原过电势。不锈钢材料被认为是理想而廉价的析氢材料，本研究采用不锈钢作为CO2固定的催化材料，极大降低了MECs的构建成本，便于今后放大试验；其次，将厌氧消化系统与MECs固定CO2系统的有机结合，不仅实现了CO2的原位固定，同时将沼气转化为高附加值的生物甲烷。综上所述，本研究提出了一项MECs技术固定CO2在实际应用的可行方案和实践指导。