微生物电合成聚羟基脂肪酸酯的基本原理及研究进展

目的综述微生物电合成(Microbial Electrosynthesis,MES)生产聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHAs)的基本原理、影响因素及其在包装工业领域应用面临的挑战,以期优化其生产工艺、实现PHAs的高效和低成本合成、拓宽绿色包装材料合成技术。方法基于近几年国内外的最新研究进展,总结现有合成PHAs方法存在的不足,介绍MES合成方式及原理,阐述MES系统合成PHAs影响因素,探讨MES系统在合成PHAs等绿色包装材料所面临的挑战。结论MES系统在合成PHAs领域具有巨大的研究潜力,未来的重点研究方向是开发高效电活性微生物、优化电合成条件以及MES系统结构来提高PHAs产量,并拓宽MES系统在合成可降解包装材料领域的应用。

流动电极微生物电合成提高产物生成速率及降低能量消耗

微生物电合成(microbial electrosynthesis,MES)利用可再生电力驱动微生物固定CO_(2)合成化学品,在推进碳循环经济中具有一定潜力,受到广泛关注。但是,很少有研究通过高效反应器设计来促进产乙酸并降低能耗。本研究中,新型流动电极MES反应器的总产乙酸速率[(16±1)g·m^(-2)·d^(-1)]比无粉末活性炭(powder activated carbon,PAC)对照[(8±3)g·m^(-2)·d^(-1)]高两倍。流动电极MES反应器的库伦效率为43.5%±3.1%,能量消耗为(0.020±0.005)k Wh·g^(-1),产乙酸的能量效率为18.7%±1.3%。基于PAC的流动电极能够降低水跨膜通量、传质阻力,但是对装置电压、流变行为、乙酸吸附的影响较小。流动电极MES反应器中,能量代谢相关基因高表达,Acetobacterium的丰度增加。MES反应器中同时存在用于碳固定的还原性乙酰辅酶A途径(Wood–Ljungdahl pathway,WLP)与还原性三羧酸循环途径(reductive citric acid cycle,r TCA)。堆叠型流动电极MES中的乙酸浓度达7.0 g·L^(-1)。本研究提供一种构建可扩展MES反应器的新方法,促进CO_(2)利用以及产物生成。

基于直接数字频率合成器的微生物电旋转仪设计

提出了一种基于DDS和微分器的微生物电旋转仪的设计。具有稳定性高、频带宽、控制精确、易于操作等优点。

微生物电合成捕获CO_(2)及高效催化转化研究进展

微生物电合成(MES)为CO_(2)还原为乙酸盐和其他多碳物提供了一条可持续的生化转化途径,利用电能驱动微生物固定CO_(2)具有原料易得、操作条件温和、不含有毒物质、环境可持续性等特点,为全球碳中和、碳减排带来了新机遇。系统结构、电极材料及运行参数决定了MES的可行性和CO_(2)捕获效率,其中阴极是MES系统的核心,是CO_(2)循环利用和生化生产的中心平台。首先,介绍了基于MES系统的CO_(2)捕获过程;接着,从二维材料和三维多孔材料总结了MES电极的类型、结构及研究进展;然后,综述了MES捕获CO_(2)生物制品,重点总结了提高MES捕获CO_(2)产物产量、产物及碳链延长的方法;最后,提出了MES捕获CO_(2)存在的问题,对其未来研究方向进行了展望。

微生物电催化转化反应器(BECR)转化CO_2合成有机化合物

针对大量CO_2所带来的环境问题,构建BECR(Bioelectrochemical catalysis reactor)反应系统,将电化学还原与微生物催化还原相结合,转化CO_2合成有机化合物.从牛粪中分离筛选出产氢菌(Clostridium sp.S1),确定最优产氢条件.将筛选好的菌种接入BECR电催化转化反应器,通入CO_2,外加恒定阴极电势,检测合成的有机化合物.结果表明,反应装置接入电化学工作站进行CV测试时,在-0.7 V时出现还原峰发生还原反应,恒电位仪恒定阴极电势,合成的化合物为甲醇和乙酸.在24 h时甲醇和乙酸的积累量达到最大分别为3.096 mmol·L^(-1)和2.01 mmol·L^(-1).在电化学和微生物的共同作用下,实现了对CO_2的还原过程,并合成了有机化合物.

生物基化学品的微生物电合成研究进展

微生物电合成是结合微生物学与电化学的新兴研究方向。电化学活性菌株以直接或间接的方式吸收人工提供的外源电子,打破胞内代谢原有的氧化还原平衡,定向催化底物合成还原性目的产物。近年来,基于生物基化学品的微生物电合成取得广泛关注。本文综述了生物基化学品微生物电合成的基本原理及最新研究进展,并讨论了电化学活性菌株的种类、电子传递机制以及典型的菌株培养方式,同时结合菌株代谢途径,讨论了微生物电合成促进乙酸、1,3-丙二醇、丁醇、琥珀酸等生物基化学品的作用机理及研究现状。最后指出了电子传递机制、电子传递效率及成本是限制该技术发展的关键问题及未来的发展趋势,旨在推动该技术应用于生物基化学品的发酵工业中。

生物工程强化微生物电合成转化CO2的研究进展

微生物电合成(Microbial electrosynthesis,MES)可直接利用电能驱动微生物还原固定CO2合成多碳化合物,为可再生新能源转化、精细化学品制备和生态环境保护提供新机遇。但是,微生物吸收胞外电极电子速率慢、产物合成效率低和产品品位不高,限制了MES实现工业化应用。在概述阴极电活性微生物吸收胞外电子的分子机制的基础上,重点综述近5年应用生物工程的理论和技术强化MES用于CO2转化的策略与研究进展,包括改造和调控胞外电子传递通路和胞内代谢途径以及定向构建有限微生物混合培养菌群三方面,阐明了生物工程可有效突破MES中电子传递慢和可用代谢途径相对单一等瓶颈。针对目前生物工程在改进MES所面临的主要问题,从胞外电子传递机理研究、基因工具箱开发、组学技术与现代分析技术联用等角度展望了今后的研究方向。

阴极电势对微生物电合成系统还原CO2合成有机物性能的影响

采用微生物电合成系统(MES)还原CO2合成有机物,从微生物菌群、有机物积累量、库伦效率、电化学分析等多个角度研究了阴极电势对MES还原CO2合成有机物性能的影响。实验结果表明:阴极电势为-0.70 V时,甲酸和乙酸的积累量均最大(分别为1.554 mmol/L和2.754 mmol/L),系统的总库伦效率最大(为81.42%);在MES中,醋杆菌(Acetobacterium sp.)、假丝酵母菌(Candida sp.S)、地杆菌(Geobacter sp.)为优势菌种。

还原氧化石墨烯/泡沫铜电极用于微生物电合成系统中二氧化碳合成有机物

采用氧化石墨烯涂覆泡沫铜并还原改性,合成了还原氧化石墨烯/泡沫铜电极,用于微生物电合成系统(MES)中CO_(2)合成有机物,考察了其电化学性能和有机物合成性能。实验结果表明:将改性的泡沫铜阴极用于MES还原CO_(2),在施加的-0.8 V阴极电势下,产生的乙酸和丁酸的最终质量浓度分别达到265.0 mg/L和122.5 mg/L,与改性前相比分别增加了8%和35%;该系统阴极表面上的主要优势细菌属于瘤球菌科(Ruminococcaceae)和梭菌科(Clostridiaceae),丰度分别增加了0.98倍和0.31倍。

表面活性剂添加量对微生物电合成转化二氧化碳的影响

微生物电合成(MES)是生物阴极驱动的过程,其中自养微生物可以直接从阴极吸收电子或通过H 2间接吸收电子作为能源,将CO_(2)还原为化学品。为研究表面活性剂对MES性能的影响,以基因改造的杨氏梭菌作为菌株,以非离子表面活性剂聚乙二醇(PEG)作为研究对象,对其添加量进行优化。结果表明:添加体积分数1.0%的PEG的性能最好,其乙酸和丁酸质量浓度能分别达到(0.73±0.11)和(0.18±0.01)g/L,是空白对照组(CF)的1.58和1.21倍,而添加体积分数4%的PEG会抑制微生物的生长,从而导致低的乙酸和丁酸产率。扫描电镜(SEM)和电化学分析结果显示:1.0%的PEG可以促进电极上微生物的附着,并且电催化活性也是最高的。进一步通过析氢性能和还原当量测试发现:在实验过程中,1.0%的PEG的H 2含量最高,具有高的还原当量,从而有利于CO_(2)向乙酸和丁酸的转化。通过研究添加不同体积分数的PEG对MES中产物浓度的影响,为MES中如何提高电子传递速率提供了方向。

微生物电合成生产中链脂肪酸的基本原理及研究进展

微生物电合成(microbial electrosynthesis,MES)是一种新型微生物电化学技术,以电能驱动微生物在温和条件下转化水和CO_(2)生成有机物。中链脂肪酸(medium-chain fatty acids,MCFAs)是指C6至C12的一元饱和羧酸,是重要的化工原料和农用产品。微生物生产MCFAs通常包括一次发酵和二次发酵过程:一次发酵即微生物将单体和多聚物氧化为中间产物丙酮酸盐,并最终生成短链脂肪酸和醇以及H_(2)和CO_(2)等小分子物质;二次发酵为微生物对一次发酵的产物再利用,包括碳链延长产生中链脂肪酸。MES生产MCFAs可望获得比传统有机废弃物厌氧发酵途径生产MCFAs更高的能量效率,并有望以获得高附加值产物的方式推进MES技术的实用化。综述了MES催化转化C1废气并耦合二次发酵过程进行碳链延长产生MCFAs的研究现状,分析代谢路径及功能微生物,探讨电极材料以及关键运行参数,为MES生产MCFAs的进一步发展提供重要的科学依据和技术支持。

微生物光电还原CO_(2)合成乙酸对外电压的响应机制

以TiO_(2)光阳极结合自养型生物阴极,构建双室微生物光电合成(MPES)系统,以光能作为主要的能量来源,探究MPES还原CO_(2)合成乙酸的性能及其限制因素.结果表明,光阳极取代纯电化学阳极显著降低了MPES生物阴极对外电压的需求.MPES能持续稳定运行,平均产乙酸速率为(1.18±0.11)mmol/(L·d),法拉第效率为45.75%±3.97%.光阳极驱动阴极产生氢气,推测阴极微生物倾向于利用氢转移的方式来进行电子传递.外加电压通过影响光阳极的给电子能力从而对MPES的性能产生显著的影响,当外电压从0.4V升高至0.6V时,MPES的电流,乙酸产量和法拉第效率都显著提高,系统的性能主要受限于阳极.当外电压高于0.6V,系统电流,乙酸产量的增速减缓,法拉第效率在外加电压0.8V时达到最大值,随后下降,表明生物阴极的得电子能力已经达到饱和,此时MPES的性能主要受限于阴极.作为电子传递中间体,H_(2)的不完全利用是法拉第效率没有随着外电压的增加进一步提升的原因.

微生物电合成甲烷技术的研究进展

微生物电合成技术近年来已经成为环境、能源等领域的一项研究热点。作者系统总结和阐述了微生物电合成甲烷的研究结果,主要包括:微生物电合成系统的基本原理,对不同电极的改性研究和材料选择,不同运行条件对微生物电合成系统的影响和微生物电合成技术与厌氧发酵技术的耦合研究。

微生物电合成系统固定CO_(2)研究进展

近年来,随着电化学及微生物技术的进步,由电能驱动的微生物电合成系统成为固定CO_(2)的新手段,在化工生产、能源转化和碳减排方面受到广泛关注。在概述微生物电合成系统基本原理的基础上,综述了系统阴极材料、操作条件以及还原产物3个方面的研究进展,同时还强调了微生物电合成技术在固碳机理、产能提升等方面的研究瓶颈。考虑到该系统的固碳潜力,未来应专注于对其固碳机理的研究,并通过开发高效固碳微生物、优化操作条件以及制备新型低成本阴极材料来提高其产量,以实现化学品的可持续生产和该技术在实际工程中的应用。

微生物电解池应用研究进展

微生物电解池(microbial electrolysis cells,MECs)的研究方向主要集中于制氢,随着研究的深入,MECs发展出集产能与治污于一体以及多种应用形式,为解决当前国际面临的能源问题和水资源保护提供了一种新的解决方案,受到各国科学家的广泛关注。本文整理了MECs的原理、性能影响因素,重点介绍了MECs在水处理、微生物电合成产品和与技术集成三方面的国内外应用研究。分析显示:随着新材料和新方法引入本领域,MECs发展出现了许多新应用及与其相适应的反应系统构型,但仍需要在MECs应用潜力拓展、MECs产品低浓度条件下富集、功能菌对应目标污染物驯化、反应系统运行机制等方面作深入研究,以提高MECs的整体性能,推进MECs在水处理和生产化学品方面的实际应用。

半导体-微生物界面电子传递及其在环境领域的应用

半导体-微生物复合体系在污染物深度降解、合成有价化学品及元素生物地球化学循环等领域发挥着重要作用,其界面反应过程的核心是电子转移.本文重点阐述了微生物/半导体界面上微生物的种类和功能、半导体的种类及光催化机制,总结了半导体-微生物界面的直接和间接电子传递途径,讨论了强化界面电子传递的方法以及半导体与微生物系统的稳定性,介绍了近年来半导体-微生物复合体系在污染物转化、化学品合成以及资源循环利用方面的应用现状,以期为半导体-微生物复合体系的设计及其环境领域应用提供指导.

光电与微生物结合的生物杂化光合体系生产聚β-羟基丁酸酯的研究进展

人工光合系统具有较高的光吸收率,但难以合成具有高附加值的化合物.微生物则可以利用自身的促进自我修复与复制、具有高特异性的生物酶催化合成各种高分子化合物.生物杂化光合体系结合两者优点,为化学品的合成提供了一条清洁高效、经济、可持续的发展途径.近年来,有科学家利用生物杂化光合体系生产生物可降解材料聚β-羟基丁酸酯,取得了初步成效.以下从光催化剂协同微生物杂化光合体系和微生物电合成体系两个方面,介绍了生物杂化光合体系生产聚β-羟基丁酸酯的研究进展,研究了利用该体系生产聚β-羟基丁酸酯的现存问题,并对其未来发展方向进行了展望.

合成生物学方法改造电活性生物膜研究进展

电活性生物膜是由电能细胞分泌的胞外多糖、蛋白、胞外DNA(extracellular DNA,eDNA)、菌毛等成分聚集,与细胞本身相互交联形成的导电多聚体。以多菌群落形态展现,在微生物燃料电池、微生物电合成、高值化学品生产、重金属污染处理、医疗等领域中具有至关重要的作用,是微生物电催化系统研究的核心之一。但自然状态下的电活性生物膜因厚度、结构稳定性、生物量等因素的限制,严重制约了电子传递效率。综述了近五年利用合成生物学改造电活性生物膜的研究进展,系统探讨了工程生物膜的构建、结构成分、导电性能以及应用,为将来进一步实现高效电催化奠定基础。

固碳产甲烷微生物阴极能质传输特性数值模拟

固碳产甲烷微生物电合成系统以附着其电极表面的生物膜为催化剂,可以在处理废水的同时将CO2转化为甲烷,极具应用前景。微生物阴极是该系统的核心部件之一,其表面生物膜内的能质传输特性极大地影响系统性能。针对微生物阴极能质传输特性尚不明确的问题,推导了微生物阴极电极反应动力学方程(Nernst-Monod方程),构建了耦合生化/电化学反应的物质传输理论模型,研究了不同阴极电势、生物膜电导率以及孔隙率对阴极生物膜内电荷及物质传输的影响规律。研究结果表明当阴极电势高于-0.5 V (vs SHE)时,随阴极电势的降低生物膜内电流密度增大,底物浓度降低;但当阴极电势降低至-0.5 V(vs SHE)后,生物膜消耗电子还原底物的能力几乎达到饱和;低电导率(<10-3S/m)会导致生物膜内形成明显的电势差,使得底物利用速率降低,严重影响微生物阴极的性能;生物膜孔隙率控制在0.4时,微生物阴极可达到最佳电流密度。

中国科学家实现化学-生物杂合过程驱动二氧化碳合成生物塑料聚羟基丁酸酯

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一种绿色环保的高分子生物材料,目前PHA的生产方式主要以糖类或植物油为原料通过发酵法合成,但原料成本过高等因素限制了PHA大规模商业化生产。聚羟基丁酸酯(PHB)是最为常见的PHA,可以CO_(2)为原料,通过光合自养、微生物电合成、化学-微生物细胞工厂耦合等固碳系统合成,但其生产效率和能量效率一直较低,无法满足工业化生产需要。