微生物電解池CO2電甲烷化的影響因素及電子中介體角色探究

甄廣印,王 娜,王佳懿,陸雪琴, 5,邱博然

(1. 華東師范大學 生態與環境科學學院, 上海市城市化生態過程與生態恢復重點實驗室, 上海 200241; 2. 上海有機固廢生物轉化工程技術研究中心, 上海 200241;3. 上海污染控制與生態安全研究院, 上海 200092;4. 自然資源部大都市區國土空間生態修復工程技術創新中心, 上海 200062;5. 崇明生態研究院, 上海 200062)

0 引 言

工業革命以來,各國政府為大力推動社會經濟發展,主動通過限價、稅收減免或直接補貼等市場干預手段或財政激勵措施推動煤炭、石油等化石燃料的生產和使用[1],然而,化石燃料的燃燒產生了大量的二氧化碳(CO2)等溫室氣體,加劇溫室效應,導致全球氣候變化。2021年全球碳排放總量大約102.85億t,中國排放27.77億t占了27%,我國作為CO2排放大國,提出了更加有力的政策和措施,CO2排放力爭于2030年前達到峰值,2060年前實現碳中和[2]。因此,優化能源結構體系,探索CO2的轉化、再利用和清潔能源生產的新技術,受到了研究者們的廣泛關注。

近年來,微生物電解池(Microbial Electrolysis Cell, MEC)作為一種有效利用CO2進行回收能源和資源的新興技術,已經先后到全世界的普遍關注,并展現出巨大的、廣闊的發展潛力[3-4]。CO2電甲烷化是MEC應用中的一個重要方向,使用可再生的電力驅動,將CO2還原成高附加值的燃料甲烷(CH4)[5]。本文對MEC的基本原理、構造及性能影響因素展開討論,并簡單闡述了電子穿梭體在其中的重要作用,以期實現CO2的高效甲烷轉化,并為“雙碳計劃”提供理論基礎。

1 CO2的捕獲與高值資源利用

CO2的捕集、利用和封存技術是實現溫室氣體減排的重要技術之一,也是踐行低碳發展戰略的重要技術選擇[3]。作為一種穩定的化合物,CO2反應活性很低。在一定條件下,可以借助外力并引入適宜的催化劑,打破CO2的反應惰性,對CO2分子中唯一的碳氧雙鍵進行斷鍵活化,將CO2轉化為可被利用的有機質或高附加值的含碳化合物,變“廢”為“寶”[3-4]。目前,轉化利用CO2的技術方法種類繁多(圖1),根據催化劑種類的不同歸納為兩大類,化學法和生物法。實際工程應用中,從處理效果、成本、可持續性等多角度出發,往往需要兩種或兩種以上技術方法結合使用[4]。

近年來,MEC作為一種有效回收能源和資源的新興技術,已經先后到全世界的普遍關注,并展現出巨大的、廣闊的發展潛力[3-4]。1911年,首次發現了電活性微生物具有傳遞電子的能力,生物電能和生物電子等基礎概念的提出,促進了微生物電解池技術的發展[7],其作為一項嶄新的技術,以生物學、電化學、生物物理學等基礎學科為基石,兼顧環境與能源需求,將CO2轉化為經濟可行的燃料和原料[3-4, 7]。隨著研究的不斷深入,科學技術的創造性發展,越來越多的研究學者將MEC與其他技術耦合,大大擴展了MEC的應用范圍,如污水處理、沉積物產電、產品生物合成、污染生物修復等[8-9]。

MEC是通過對其施加外電壓,打破某些反應的熱力學限制,并以微生物作催化劑,驅動不可自發反應的發生,生成有價值的燃料或原料[3-4]。通常情況下,根據操作條件和底物的不同,陽極主要發生有機物的降解或水解,同時釋放電子和游離的質子(H+),電子通過外電路流向陰極,微生物則是從固體陰極上捕獲電子,一部分用于維持自身新陳代謝,另一部分則被傳遞至最終電子受體(如CO2、硝基苯和對氯苯酚等),發生還原反應生成目標產物(H2、CH4、甲酸和已醇等)[3-4, 9-10]。MEC體系中,陽極發生氧化反應釋放電子,陰極則獲得電子發生還原反應[9]。在整個反應進行的過程中,基質中的微生物及氧化還原活性物質充當電子載體,將電子從電子供體傳遞給電子受體,形成閉路循環產生電流[4-5]。MEC的高效資源回收過程主要包括電產氫(Electrohydrogenesis)和電產甲烷(Electromethanogenesis)[8, 11]。其中,電產甲烷是借助外電壓提供的能量,富集在陰極的微生物將有機污染物或CO2還原成甲烷的新技術[12](圖2)。以陽極電解水為例,產甲烷時陽極和陰極發生的氧化還原半反應分別如式(1)和(2)。

陽極:

Ean=0.820 Vvs. SHE

(1)

陰極:

Ecat=-0.244 Vvs. SHE

(2)

由上述反應式可以看出,該反應并不能自發進行。通過計算得出,在中性條件下,需提供大于-0.244 Vvs.SHE的陰極電勢,打破能量壁壘,激發反應的進行。

CO2電甲烷化是MEC應用中的一個重要方向,使用可再生的電力驅動,將CO2還原成高附加值的燃料甲烷(CH4)[5]。與電產氫技術的終產物氫氣相比,甲烷的熱值更高。目前,運輸、儲存甲烷的相關基礎設施的也更加健全[3, 8]。這項技術既充分利用了空氣中過剩的CO2,又合成了清潔的高熱值能源,為全球實現“零碳經濟”開辟新道路。不過,相比于傳統的借助重金屬電極電化學還原CO2產甲烷,利用MEC還原CO2產甲烷具有可再生、環保等特性;但一直存在的效率過低的技術瓶頸,也限制了該技術的規?；瘧肹5, 13]。在此背景下,進一步開展CO2電甲烷化的相關基礎理論研究,闡明CO2電甲烷化過程中的相關機制過程,以及對可能影響CO2電甲烷化效率的相關因素進行探索都是十分有必要的[14-16]。

2 影響MEC進行CO2電甲烷化的基本因素

CO2電甲烷化的系統運行性能受很多因素影響,主要包括接種物、反應器構型、外加電壓、電極材料等[9, 12, 20](見表1)。

表1 產甲烷陰極電極材料性能綜述Table 1 Overview of the performance for methane-producing in terms of cathodes electrode material

2.1 接種物來源

接種物的來源、活性及富集馴化方法對MEC系統的啟動、運行及能量回收具有重要影響[4-5, 11, 19]。一般情況下,可以準確定位純菌的關鍵酶、細胞色素,有利于機理研究,如胞外電子傳遞機制等[21-22]。與純菌相比,混菌含有更復雜的菌群種類以及更穩定的微生態系統,對實際污水的復雜體系適應性更強,生命周期也相對較長,此外,混菌的馴化培養成本也相對較低[10]。對MEC來說,接種物的來源非常廣泛,包括運行穩定的MFC,上流式厭氧污泥床、厭氧污泥、底泥或者從運行結束的MEC中去取出的生物陰極等,接種物的活性將直接影響CO2電甲烷化的效率[5, 20, 23]。

2.2 反應器構型

根據有無交換膜分隔陽極室和陰極室,MEC的構型被分為雙室MEC和單室MEC兩大類,雙室MEC與單室MEC相比,多了交換膜將兩個腔室分開[3, 24],不同的反應器構型將會影響CO2電甲烷化的效率。其中,常用的交換膜種類包括陰離子交換膜(Anion Exchange Membrane,AEM)、陽離子交換膜(Cation Exchange Membrane,CEM)和質子交換膜(Proton Exchange Membrane,PEM)[22, 24]。然而Rozendal等[24]研究發現,相較于陽離子交換膜存在的雙室MEC系統,使用單室MEC,可大幅度減小pH的跨膜梯度差,電勢損失更低,故而相比雙室MEC,單室MEC的構型不僅可以節省成本,而且兩腔室高效地基質交換,可以有效減小電解池的歐姆電阻、提高轉化率,從而使得CO2電甲烷化的效率更高。

不過單室MEC的陽極會通過電解水或氧化有機物釋放大量H+,導致陽極周圍基質酸化,若沒有離子交換膜的分隔,兩腔室電解液之間的交換,將破壞產甲烷菌的生長環境,導致體系的崩潰,故而單室MEC-CO2電甲烷化長期的運行性能不如單室MEC更加穩定,而雙室MEC中離子交換膜的選擇透過性也有效避免了陽極室和陰極室的氣體擴散,更加容易獲得成分簡單的混合氣,如甲烷[5, 14]。單雙室MEC各有特點,應根據實際需要加以選擇。

2.3 外加電壓

外加電壓作為整個系統運行的驅動力,一般由恒電位儀或穩壓器提供[25]。CO2轉化為甲烷的反應在常溫常壓條件下,并不能自發進行,需要提供至少-0.244 Vvs.SHE電壓[8]。然而,實際中的反應器系統的內阻仍十分顯著,包括電荷轉移內阻、歐姆電阻、擴散內阻及電流流動過程中的電阻等。因此,提供給CO2電甲烷化的外加電壓一般大于-0.244 Vvs.SHE,但這并不意味著電壓值越高反應器性能越好,較高的電壓值會促進其他并不需要的副反應發生,甚至導致微生物細胞破裂、新陳代謝活性降低從而衰落至死亡[3, 25]。Choi等研究在厭氧環境下,改變外加電壓(0.5、0.7、1.0、1.5 Vvs.SHE)對甲烷產量的影響,并發現當外電壓從-0.5 Vvs.SHE升高到-1.0 Vvs.SHE時,甲烷產量從368.6 mL CH4/g COD葡萄糖升至 408.3 mL CH4/g COD葡萄糖;而當電壓繼續升高到-1.5 V時,甲烷產量卻隨之降到371.0 mL CH4/g COD葡萄糖,討論分析認為-1.0 Vvs.SHE是電活性菌生長繁殖最適宜的電壓條件[26]。

此外,有研究表明外加電壓通過加速揮發性脂肪酸的轉化,改變電解液的pH,為產甲烷菌提供適宜的生長環境[27]。此外,Florian等綜述分析得出陰極電位是影響胞外電子傳遞機制的重要因素,然而,實際上在CO2電甲烷化過程中,產甲烷的相關機制相互影響的內在機理目前還不清楚[28]。以氫型產甲烷菌(Hydrogenophilicmethanogenic)為接種菌,研究生物陰極產甲烷的性能和機制得出,陰極施加電壓小于-0.65 Vvs.SHE時,直接電子傳遞和以氫氣為中介體的間接電子傳遞傳遞都會參與CH4的生成,但隨著外加電壓增大,間接電子傳遞逐漸趨于主導地位[11, 22, 28]。

2.4 電極材料特性

陰極和陽極是MEC中不可或缺的兩部分,電極材料的性能及成本直接影響反應器的運行效果和規模[29]。在CO2電甲烷化系統中,陽極充當輔助電極,陰極則是工作電極,外加測量電池電動勢的參比電極,構成三電極體系。其中,輔助電極的主要作用是與工作電極形成電流通路,對電極材料的一般要求是電阻小,不易發生極化,化學性質穩定;通常選用鉑電極、碳電極等做輔助電極[30]。工作電極作為產甲烷菌生長附著的載體,既要符合生物相容性易于微生物富集生長,又要同時兼顧電極材料本身的特性對甲烷回收效率的影響。目前,金屬電極和碳基電極因導電性高、電阻小等特性被廣泛應用于MEC電產氫和電產甲烷的研究[29]。Luo等研究發現,與純石墨刷電極相比,采用鍍鉑不銹鋼網做電極時,體系的甲烷產量提高了近1.7倍,電子回收效率和能量回收效率也都大幅提高[15]。

惰性貴金屬的化學性質不活潑、電阻小及其導電性好,使其成為一類理想的電極材料,但高昂的生產成本限制了這類電極材料的推廣使用[27]。與之相比,碳基材料的優點:生物兼容性好、比表面積高、化學性質穩定、成本低廉,也使其一直是MEC研究中電極材料的首選。然而,有研究發現,以純的碳基材料作陰極,即使在開路情況下也有電流產生,甚至庫倫效率超過100%[25, 27]。由于傳統碳基材料存在電阻大等缺陷,這也促使新型高導電極材料的研發與應用,特別是金屬-碳基耦合材料的研發。Siegert等團隊開展的幾組研究陰極電極材料的實驗表明,將石墨電極設為對照組,鍍鉑石墨電極的甲烷產量將達到了峰值(250±90) nmol·cm-3·d-1[31]。

3 電子穿梭體在MEC電甲烷化中的重要角色

3.1 電子穿梭體的分類

根據是否由微生物自身分泌,電子穿梭體被分為內源性電子穿梭體和外源性電子穿梭體[36-37]。目前,許多由微生物自身分泌的內源性電子穿梭體被人們所熟知,有γ變形假單胞菌屬分泌的吩嗪類物質[38]、希瓦氏菌屬分泌的黃素類物質[39]、假單胞菌屬分泌醌類物質[40]、地桿菌屬分泌的溶解酶和胞外細胞色素等[41]。這些內源性穿梭體多數是根據其分泌物或聚集物推斷而來,對于MEC電甲烷化體系中內源性電子穿梭體的含量,目前的技術手段還無法做出準確的鑒定,因此,外源性電子穿梭體引起了研究者們的廣泛關注,通過人為調控其在反應器中的添加量、添加方式及添加周期等達到最優的促進效果[36]。

常見的外源性電子穿梭體分為人造介體和天然的氧化還原介體[38-39]。人造電子穿梭體的最大優勢在于它的非特異性,通過有效的分子設計幾乎可以使所有的革蘭氏陰性菌接受電子,但人造電子穿梭體的設計生產成本過高,以及用完后在環境中的積累、擴散等風險,使得當下有關人造介體的研究寥寥無幾[38]。天然的氧化還原介體多數是從環境中運行的MEC中發現的,這些環境特點通常是有機碳濃度較低,而且被復雜的有機物、腐殖酸及大量含硫化合物圍繞著,這些氧化還原介體明顯加速了細菌與電極之間的電子傳遞效率[16]。腐殖酸、半胱氨酸是目前發現的兩種較為典型的天然氧化還原介體,但兩種物質發揮作用的機理還需進一步的研究分析[37]。

3.2 核黃素在胞外電子傳遞中的作用

近年來,基于對希瓦菌屬(Shewanellasp.)這種模式菌屬的生理學和遺傳學的認知,并結合其在MEC電甲烷化中的行為表現,研究證實黃素(圖3(a))是一類非常重要的內源性電子中介體,并在MEC電甲烷過程中發揮了促進作用,影響微生物之間的直接電子傳遞。其中,Von Canstein等研究發現,很多希瓦氏菌能利用黃素單核苷酸(FMN)和核黃素(Riboflavin,RF)來介導不溶性三價鐵氧化物還原[39]。Marsili等發現在培養不同菌株的希瓦氏菌的過程中均有不同量的黃素積累,并以黃素為電子介體將胞外電子傳遞至電極表面[22]。黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)和黃素單核苷酸是黃素酶的輔助因子,能夠從各種各樣的官能團接受電子對,在生物系統中催化許多氧化還原反應[42]。核黃素是黃素酶中起氧化還原作用的主要活性成分(圖3(b)),可以在電子供體和受體之間雙向傳遞電子[43]。在核黃素作為S.oneidensisMR-1呼吸鏈中的電子傳遞介質,參與了70%～90%的電子傳遞過程,特別是在遠離電極和其他可溶性電子受體的細胞中[22]。更多的研究也證明,將核黃素作為一種高效的外源性電子穿梭體加入到生物膜反應器中,擴散后與細胞色素c結合表現出較高的電化學活性,提高體系的電子傳遞效率[44]。通常情況下,在MEC中,微生物首先從電極上捕獲電子,經過微生物本身的代謝后再釋放電子給CO2,將CO2還原成CH4,完成一次電子傳遞;核黃素被加入電解液后,將在電極與微生物間,微生物與CO2之間充當電子載體,發生可逆的氧化還原反應,大大降低遠距離傳輸造成的能量損失,節約生產成本[36-37, 43](圖4)。

圖3 核黃素分子結構式及氧化還原反應示意圖Fig. 3 Structural formula of riboflavin molecule and redox reaction diagram

圖4 核黃素介導電子傳遞示意圖Fig. 4 Schematic diagram of riboflavin as shuttle to mediate electron

3.3 核黃素在生物膜形成過程中的作用

與單個浮游的細胞或微生物相比,成熟的生物膜對外界環境變化的適應性更強、對高濃度的污染物的耐受性更高,生命周期也相對更長,因此大部分微生物都以生物膜的形式存在[45]。生物膜是由微生物及其自身分泌的胞外聚合物組成的一種結構和形態上穩定的微型生態系統。微生物鑲嵌在聚合物的基質中,隨后在電極材料表面逐漸形成生物膜[39, 45]。核黃素是電甲烷菌生長發育的重要影響因素,可以極大程度上促進電甲烷菌生物膜的快速生長發育,其發育形成過程大致可分為[46]:(1)細胞或微生物聚集,吸附在材料表面;(2)形成微生物群落,分泌胞外聚合物;(3)群落向外擴展,結構變復雜;(4)生物膜成熟;(5)成熟生物膜脫落。在生物膜反應器中,生物膜的形態結構、理化性質、抗性等是影響反應器運行效能的關鍵因素[37, 44]。微生物自身的代謝途徑及微生物間的相互作用方式決定了生物膜的特性,已有研究證明核黃素作為氧化還原穿梭體參與調控微生物代謝途徑,胞外聚合物的分泌受到影響[36-37, 47]。Hoffman等曾在發表的一篇文章中指出,保持妥布霉素在亞抑制濃度,能有效促進銅綠假單胞菌生物膜的發育成熟[47],進一步探索核黃素的濃度對生物膜的影響研究發現,濃度較低時,促進微生物之間復雜的相互作用,有利于生物膜的形成;過高的濃度將起到破壞作用,阻礙生物膜的發育成熟[48]。

4 結語與展望

化石燃料大肆燃燒及溫室氣體的大量排放,導致了全球生態環境惡化與能源危機,MEC-CO2電甲烷化作為一種降碳技術被廣為研究。迄今為止,有關優化關MEC-CO2電甲烷化各項實驗參數的研究也層出不窮,外加電壓、陰極材料、反應器大小及形狀等也在實驗中不斷完善。不過MEC-CO2電甲烷化依然面臨較多的技術瓶頸,如電產甲烷微生物的馴化時間較長、胞外電子傳遞機制尚不明確和電極材料的成本較貴等,且現階段利用MEC-CO2電甲烷化的技術仍然局限在理論研究階段,并多以實驗室概念研究為主,故亟需進行長期、大規模實驗來模擬真實的工業化生產過程。同時,需要對MEC系統中CO2電產甲烷過程中的微觀原理進行進一步解釋,如胞外電子傳遞機制、電子穿梭體如何影響微生物的電子傳遞效率,進而優化整個MEC-CO2電甲烷的反應過程,為其工業化與大規模生產提供理論支持與技術突破。