流場對MEC生物陰極CO2還原性能與產物的影響

徐沛，賈璇，王勇，亓雪嬌，趙玉嬌，李鳴曉

（1 中國環境科學研究院，環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012；2 北京工商大學，國家環境保護食品鏈污染防治重點實驗室，北京 100048）

化石燃料的急劇消耗不僅使得全球能源危機日益加重，還造成溫室氣體猛增，氣候變化成為全球性問題。根據國際能源署統計，2015年全球CO排放量為32.4Gt，其中我國排放量占全球總排放量的28%。2020 年，我國在聯合國大會上提出“碳達峰”、“碳中和”的目標，成為全球碳減排的動力站，碳捕集、利用與封存（carbon capture,utilization and storage,CCUS）技術成為研究熱點。目前CCUS技術主要分為物理法和化學法，利用物理吸附和化學吸附等手段對CO進行捕集，而微生物電化學法作為一項新興的CCUS技術，其有著綠色、環保和效率高等優勢。近年來，有學者采用微生物電解池（microbial electrolysis cell，MEC）進行CO捕集與利用。通過MEC 生物陰極的功能微生物電催化作用將CO轉化為低碳能源CH或高附加值的小分子平臺化合物，如甲酸、乙酸和丙酸等。Liu 等研究發現MEC 可以有效地對生物沼氣中的CO進行捕集轉化，轉化率最高可達22.7%。

利用MEC進行CO捕集和還原的過程發生在生物陰極上。研究表明，生物陰極的電子和質子利用效率是限制MEC 還原CO效率的關鍵因素。因此，提高生物陰極的電子和質子利用效率是提高MEC還原CO性能的關鍵。流場是流體在某時刻的空間分布和連續介質運動，有研究表明良好的流場可以改善反應器內的傳質效果，提高微生物活性，增強反應器性能，而水力循環條件是影響反應器內部流場的重要因素之一。目前，關于流場的研究主要集中在厭氧消化領域，Chou等研究發現水力循環優化膨脹顆粒污泥床反應器的內部流場，進而增強了基質和污泥之間的傳質過程，提高了對苯酚的去除效率。Gao 等采用停留時間分布和計算流體力學等方法優化MEC 中的內部流場，使反應器的產甲烷性能和有機物去除性顯著提高。Tavares等提出在厭氧多相流工況下，水力循環產生的剪切力有利于物料表面生物膜的形成，從而提高了厭氧發酵速率。黃如一等進一步驗證了水力循環在發酵啟動階段的加速作用，表明了水力循環在啟動階段的重要性。綜上所述，流場通過改善傳質過程，從而對提高產甲烷性能、加快污染物降解以及加速厭氧發酵階段有著重要的影響，然而流場對MEC 生物陰極還原CO性能及其產物的影響還未有報道。

本文旨在探究流場提高MEC生物陰極CO還原性能和定向調控產乙酸的重要作用。通過改變陰極室內流場環境，通過質子、電子利用效率計算及微生物群落演替分析，闡明流場與MEC生物陰極CO還原性能、產物的響應規律，為碳達峰、碳中和戰略的實施提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 反應器搭建

實驗采用雙室型MEC，有機玻璃材質，反應器尺寸為210mm×210mm×150mm，單室有效容積為0.5L，陰陽極室由Nafion117 質子交換膜（PEM）隔開。陰極和陽極材料均為石墨氈（10cm×10cm×0.5cm），且垂直放置在陽極和陰極室中，外加直流電源（Keithley2280S-32-6 型）0.8V，采用數據采集系統（Keithley Instruments 2700，USA）記錄電壓值，反應器結構如圖1所示。

圖1 MEC反應裝置示意圖

1.2 MEC啟動與運行

在MEC 啟動和運行階段，分別設置循環組和對照組。循環組通過蠕動泵連接陰極室的進水口和出水口，陰極液循環流速為60mL/min；對照組不進行陰極液的循環。循環組和對照組的陽極均為靜態放置。MEC 反應器均采用間歇式進料模式，運行周期為4天。在啟動階段開始前，分別取150mL的厭氧顆粒污泥和300mL 的營養液加入MEC 的陰極室和陽極室，接入的第一個周期不施加恒電壓，待第二個周期接入電源后，即為啟動周期的開始。陽極和陰極共同營養液成分為：NaHPO，4.09g/L；NaHPO，2.54g/L；NHCl，0.31g/L；KCl，0.13g/L。陽極室以1.00g/L 的CHCOONa 作為碳源，陰極室以1.50g/L的NaHCO作為碳源，維生素與微量元素溶液配方參照文獻[16]。當電流密度和陰極產物消耗電子量連續3 個周期保持穩定后視為啟動成功。MEC 啟動成功后去除陰極和陽極室中的厭氧顆粒污泥，進入穩定運行階段。

1.3 分析方法

乙醇和揮發性脂肪酸（甲酸、乙酸、丙酸、正丁酸和異丁酸）含量分析，采用高效液相色譜法（HPLC，Agilent 1260 Infinity 型，美國），使用210nm 紫外檢測器和Hi-plexH 色譜柱（安捷倫，尺寸7.7′300mm，粒徑8μm） 測定。流動相為0.005mol/L HSO，流速為0.006mL/min。氣體成分及含量測定使用氣相色譜儀（Shimadzu,GC 2010 Pro,日本），色譜條件為：色譜柱采用填充柱（Shimadzu，Molecular Sieve，60/80 mesh），TCD 熱導檢測器，柱溫50℃，進樣口溫度100℃，檢測器溫度110℃，電流30mV，載氣為高純氬氣，進樣量1mL。

采用高通量測序技術對MEC 陰極生物膜、陰極液和接種物進行檢測。 使用338F （5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′） 和806R （5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′） 對16SrRNA 基因V3-V4 可變區進行PCR 擴增，擴增程序如下：95℃預變性3min，27 個循環（95℃變性30s，55℃退火30s，72℃延伸30s），然后72℃穩定延伸10min，最后在4℃進行保存（PCR 儀為ABI GeneAmp?9700 型）。 PCR 反應體系為： 5×緩沖液4μL，2.5m mol/L dNTPs 2μL，上游引物（5μmol/L） 0.8μL，下游引物（5μmol/L） 0.8μL，DNA 聚合酶0.4μL，模板DNA 10ng，ddHO補足至20μL。每個樣本3 個重復。本文中出現的高通量樣品編號為：接種物（A）、循環組陰極生物膜（C2）、對照組陰極生物膜（C1）、循環組陰極液（S2）以及對照組陰極液（S1）。

1.4 計算方法

電路電流根據電阻電壓通過歐姆定律計算得到，并換算成基于MEC 陽極面積的電流密度。電流密度計算如式(1)。

式中，為電流密度，mA/m；為數據采集器監測到的電壓，mV；為外部電阻，Ω；為電極面積，m。

陰極生成產物所消耗的電子量計算如式(2)。

式中，為產物所消耗的電子量，C；為生成產物的物質的量，mol；為1mol 產物所需要的電子數（8mol e/mol CH，8mol e/mol 乙酸）；是法拉第常數，96485C/mol。

外電路轉移電子量的計算為式(3)。

式中，為外電路轉移電子量，C；為在時間時的電流值，A。

總電子利用效率的計算如式(4)。

式中，為整體電子利用效率，%；為產物所消耗的電子量，C；為外電路轉移電子量，C。

2 結果與討論

2.1 流場對MEC陰極產物的影響

如圖2(a)所示，未加流場的對照組在啟動和運行過程中甲烷產量呈現比較穩定的狀態，甲烷平均產量為0.429mmol。而循環組在啟動階段甲烷產量逐漸上升，甲烷平均產量達到0.463mmol且在第四周期達到最大值（0.800mmol）。這一結果表明在啟動階段前期通過陰極內循環的方式可以提高MEC的產甲烷性能，加快反應器的啟動。主要原因可能是當反應器內有足夠的剪切力時，厭氧微生物之間用于代謝物快速運輸的擴散距離可以縮短，從而對反應器產甲烷性能產生積極影響。然而，在之后的3個周期（第五、第六和第七周期）中，循環組的甲烷產量顯著降低，陰極開始產乙酸[如圖2(b)所示]，這與啟動階段前3個周期的實驗結果相反，可能由以下原因導致其結果：首先，在啟動階段初期，由于兩組實驗啟動時接種的厭氧顆粒污泥相同，顆粒污泥富含豐富的產甲烷菌；其次，啟動開始的3個周期是陰極生物膜形成階段，此時嗜氫型產甲烷菌利用氫傳遞途徑產甲烷，兩組實驗產甲烷情況相近，循環組由于流場的影響略高于對照組。隨著反應器啟動成功，循環組陰極生物膜結構在流場作用下發生改變，由圖6(a)可知，產乙酸菌豐度逐漸提高，同時循環組陰極也檢測到乙酸的產生。

圖2 陰極甲烷和乙酸產量

圖6 陰極生物膜和陰極液中細菌在屬水平上的分布

由圖2(b)可知，在整個啟動和運行周期內，循環組的平均乙酸產量（0.303mmol）遠高于對照組（0.0425mmol）。循環組的乙酸產量總體呈現上升趨勢，并在第7周期達到最大值（0.630mmol）。而對照組的乙酸產量先上升后下降，且最大值（0.0400mmol）在第4周期取得。據文獻報道，與純產甲烷菌的培養相比，混合接種法可能會產生乙酸等其他副產物。并且在循環組啟動后期，剪切力可能會破壞產甲烷菌與其他細菌之間的空間結構，從而削弱了MEC 的產甲烷性能，從而使得陰極產物逐漸由甲烷轉變為乙酸。

綜上所述，循環組在啟動階段的陰極總CO還原產物（甲烷、乙酸）要顯著高于對照組，并且促使MEC生物陰極還原CO產物逐漸由甲烷轉變為乙酸，表明流場不僅提高了生物陰極CO還原能力，還改變了CO轉化途徑。

2.2 流場對MEC陰極電子和質子利用的影響

圖3(a)顯示的是兩組反應器在整個運行周期內（28 天）電流密度隨時間的變化過程。由圖3(a)可知，在一個運行周期內，兩組反應器的電流密度隨時間呈現先上升后下降的趨勢。在整個運行周期中，循環組的電流密度逐漸上升，在第四周期達到峰值（0.350A/m）且在之后保持穩定狀態，此時的甲烷產量也達到最大（0.800mmol），生成甲烷所消耗的電子量為617.850C。結合前文以及表1可知，在第七周期，循環組中的乙酸產量達到最大值（0.630mmol），此時生成甲烷和乙酸所消耗的電子量為176.430C 和483.950C，該消耗電子總量與第四周期的相近。這說明陽極基質氧化產生的質子和電子并沒有完全轉化為甲烷。對照組的電流密度整體保持穩定的水平，峰值為0.260A/m，整體生成甲烷所消耗的電子量約330.900C，該值大約是循環組的1/2。

圖3 兩組反應器在整個運行周期內電流密度以及pH變化

由表1可以得出，通過積分計算外電路轉移電子量，在第四周期，對照組和循環組的外電路轉移電子量分別為446.470C 和759.380C，此時兩組反應器中的陰極產物總量分別為0.580mmol、0.920mmol。再結合循環組和對照組的分別為79.33%、89.33%，表明水力循環方式增大了外電路轉移電子量以及相應的陰極產物量，并且總電子利用效率也提高了10%。

表1 陰極產物所消耗電子量Q、外電路轉移電子量Qw

通過計算產甲烷和產乙酸所消耗電子量發現，在對照組中，產甲烷所消耗電子量占比先降后升，波動范圍為72.7%～100%，平均產乙酸所消耗電子量占比為8%。而在循環組中，產甲烷所消耗電子量占比呈現下降趨勢。第一周期，產甲烷所消耗電子量占比為98%，產乙酸所消耗電子量占比為2%。第七周期，產甲烷所消耗電子量占比為36.4%，產乙酸所消耗電子量占比為63.6%，平均產乙酸所消耗電子量占比為38%，表明隨著運行周期的不斷推進，電子的利用途徑逐漸從產甲烷過程轉變為產乙酸過程。

圖3(b)為兩組反應器在整個運行周期內（28天）pH 隨時間的變化趨勢。由圖3(b)可知，循環組的pH 范圍為7.09～8.66，該范圍高于對照組（7.05～7.68）。有文獻表明陰極液pH升高可能與陰極生物電催化過程質子消耗有關，pH 隨著產物總量的增大而增大。在第四周期，循環組的pH 達到峰值（8.66），此時陰極產物（乙酸、甲烷）總量達到最大值，表明當陰極采取水力循環的啟動方式時，陰極的質子消耗量顯著提高。

可見，水力循環方式不僅提高了MEC 生物陰極的總電子利用效率（10%），還提高了質子的消耗量，增加了MEC 陰極乙酸產量，提高了MEC 生物陰極產乙酸性能。

2.3 流場對MEC陰極微生物群落的影響

2.3.1 MEC陰極微生物群落多樣性

表2列舉了兩組反應器陰極和陰極液的微生物群落Alpha 多樣性統計數據。由表2 可知，無論是對照組還是循環組，微生物群落的豐度和多樣性都比接種物有所提高，表明MEC 陰極的馴化過程對微生物群落結構有著重要的影響。相比于對照組，循環組中陰極和陰極液的Ace 指數和Chao 指數均有所下降，表明流場導致MEC 陰極和陰極液的微生物群落豐度明顯降低。循環組和對照組的陰極Shannon指數分別為4.141和3.637，陰極Simpson指數分別為0.0350和0.0680，表明循環組的陰極微生物多樣性要低于對照組。而兩組中的陰極液微生物多樣性呈現相反的趨勢，與圖4中陰極和陰極液中的古菌分布趨勢相吻合。這表明陰極水力學條件會影響到其優勢菌群的富集，但是同時也會導致其微生物多樣性和豐度有所下降。

圖4 陰極生物膜和陰極液中古菌在屬水平上的分布（豐度≤0.2%都被歸類于“其他”）

表2 微生物群落Alpha多樣性比較

2.3.2 MEC陰極微生物群落結構演替

接種物（厭氧顆粒污泥）、不同反應器陰極生物膜以及陰極液中古菌在屬水平上的分布如圖4所示。由圖4 可知，接種物中的嗜氫型產甲烷菌（）和嗜乙酸型產甲烷菌（）相對豐度分別達到62.8%、35.7%。將厭氧顆粒污泥接種到MEC 中后，陰極生物膜和陰極液中的古菌相對豐度均發生了顯著的變化，類似現象也在還原CO產甲烷BES 中被發現。對照組中陰極生物膜上的嗜氫型產甲烷菌相對豐度最大（59%），其次是嗜乙酸產甲烷菌（39%），這一趨勢與其陰極液中的產甲烷菌豐度變化保持一致。但是在循環組的陰極生物膜上，嗜乙酸型產甲烷菌的豐度最大，其占比達到了76%，而嗜氫型產甲烷菌豐度為24%。這一趨勢與其陰極液中的優勢產甲烷菌豐度（9.9%、86.1%） 有著顯著的差別。并且相比于接種物，循環組生物陰極上的嗜乙酸型產甲烷菌豐度提高了大約2倍，其原因可能是嗜乙酸型產甲烷菌的耐剪切能力較強。這一現象與Hoffmann等的研究結果一致，甲烷絲菌屬（）在厭氧生物膜中是以長絲狀生長，可以在高剪切力的厭氧反應器中生長。并且結合前文內容，循環組后期出現了MEC 陰極產乙酸的現象，產乙酸環境也有可能導致嗜乙酸型產甲烷菌的富集。度發生了明顯的變化。在循環組中，陰極生物膜上的菌群豐度（59.3%）占絕對優勢，而陰極液中的相對豐度只占到20.4%，其豐度與（20.1%）相當。相反的是，對照組中豐度（35.4%） 大約是陰極液（11%）的3倍。可見，流場的變化對生物陰極細菌豐度有顯著影響。Guo 等研究表明，、和會參與產酸過程，這可能是MEC陰極CO還原過程產乙酸的原因。

圖5 陰極生物膜和陰極液中細菌在門水平上的分布（豐度≤0.2%都被歸類于“其他”）

如圖6所示，在屬水平上，按照微生物的主要功能，將細菌菌群分為三大類：與乙酸代謝相關類、與氫氣相關類和其他具有重要功能種群。第一類（乙酸相關類）主要指的是具備產酸或酸降解的細菌；第二類（氫氣類）主要指的是具備嗜氫或產氫功能的細菌；第三類（其他類）主要指的是在MEC 還原CO中具有重要功能的種群。從圖6(a)可知，循環組陰極生物膜上（Cathode2） 的和相對豐度分別達到11.1%和20.1%，總占比達到31.2%，遠遠大于對照組和接種物中的豐度。和為均可利用有機碳和氮的化學自養型微生物，這兩種細菌的富集可能是因為循環組陰極室大量乙酸的積累。循環組和對照組中主要的產酸菌是和，總相對豐度分別為11.3% 和7.5%。這兩種菌都是在厭氧條件下產酸的功能微生物。循環組中的總占比為6.6%，高于對照組（5.9%）。是與產甲烷古菌互養的細菌，參與種間直接電子傳遞。

由圖6(b)可知，接種物中（3.1%）為優勢菌，經過馴化后，循環組和對照組中相對豐度顯著提高，成為優勢菌，分別達到7.5%和17.3%。是一種以氧化H作為能源的自養細菌，對體系中的質子和電子利用有著促進作用。

由圖6(c)可知，循環組中陰極生物膜和陰極液中的相對豐度占比分別達到1.2%和3.5%，而在對照組中，該菌在陰極生物膜和陰極液中的占比（8.2%、3.3%）呈現相反趨勢，表明流場對該菌在MEC 的分布有一定的影響。是一種硫酸鹽還原菌，研究發現其與氫營養型產甲烷菌存在互養關系。此外，據報道的外膜中含有不同類型的細胞色素，表明可能參與了電極上的電子傳遞過程。

綜上所述，循環組陰極室的產酸菌（、）豐度（11.3%）顯著高于對照組（7.5%），乙酸降解菌（、）為循環組陰極生物膜上的優勢菌屬，表明流場促使生物陰極功能微生物群落由產甲烷菌為主向產乙酸菌演替。

3 結論

（1）流場不僅提高了MEC生物陰極的CO還原能力，還使其CO轉化途徑由啟動階段的產甲烷為主轉變為運行階段的產乙酸為主。

（2）流場促使循環組中生物陰極上的優勢產甲烷菌由嗜氫型產甲烷菌轉變為嗜乙酸型產甲烷菌，并且產酸菌（、）豐度相較于對照組提高了1.5 倍，表明流場顯著影響生物陰極以及陰極液的微生物群落結構。

（3）該研究進一步驗證了流場對MEC還原CO生物陰極有著重要的影響，可為MEC還原CO產乙酸的定向調控研究提供理論和技術支撐。