微生物电合成甲烷技术的研究进展

孟宏宇 赵帅杰 吴 云

(天津工业大学 环境科学与工程学院，天津 300000)

1 微生物电合成技术的发展背景

二氧化碳的大量排放已经成为各国政府和科研人员共同关心的热点话题。有调查显示，大约全球90%的二氧化碳是通过化工产业的燃烧排放的[1]。二氧化碳的大量排放导致温室效应加剧[1,2]，引起全球变暖，同时还会造成许多资源的浪费。为了能够更好地利用二氧化碳，二氧化碳的捕集技术一直都是该领域的研究热点，主要分为：物理捕捉、化学捕捉和膜分离三大方向[3]，其中电化学捕集二氧化碳技术凭借其操作简便、反应条件温和、可选择性合成产物等优点，近年来被广大学者深入研究[4]。微生物电合成技术(MES)固定二氧化碳有着电子受体廉价易得、能量效率高等优点，该技术最早由Hongo 等人[5]于1979年在微生物电解池(MEC)的基础上研究得到。通过对比施加了1.5 V外加电势合成得到的 L-谷氨酸的产量和厌氧发酵产生的L-谷氨酸的产量，他们得出结论：前者产量提高了十分之一。2010年以来，该技术迅速发展，并取得了诸多成果，明确了如外加电势[6]、阴极材料[7]、微生物的选择[8]等因素对微生物电合成系统产甲烷效率的影响。

微生物电合成系统以二氧化碳为原料，将其转化为有价值的有机物产物，如甲酸[9]、甘油[10]、乙酸[11]、丁酸[12]和甲烷[13]等燃料，是近年来该领域的研究热点。然而，液态燃料的提取操作成本较大，限制了其发展。气体燃料有着分离操作简便快捷，能量消耗较低等优点，因此合成甲烷的研究成为主流。但尚未有人系统地总结微生物电合成系统在产甲烷方面近年来的研究进展。作者系统地总结微生物电合成系统在合成甲烷技术上的研究进展，主要包括不同电极的研究、不同的运行条件对微生物电合成系统的影响以及微生物电合成技术与厌氧发酵技术耦合系统的发展。

2 微生物电合成系统的基本原理

微生物电合成系统的主要核心部件有：电极材料、阳极室、阴极室和质子交换膜。把微生物吸附在电极上作为催化剂，阳极发生氧化反应，其中一部分的电子被阳极自身利用，另一部分通过电极上的微生物氧化有机物，将产生的电子和氢离子经由外部电路和质子交换膜传到阴极，并在阴极室内通过吸附在生物阴极上的微生物消耗电子和氢离子发生CO2还原反应，生成甲烷、乙酸、丙酸、丁酸等有机物或其他能源物质及化学品，如氢气[14]。从能量的角度来讲，微生物电合成电池与微生物燃料电池(MFC)相反，微生物电合成系统可以将外加电源赋予的电能以微生物作为催化剂的条件下，利用系统内发生的氧化还原反应转化为可储存的化学能，这些储存的能量后续甚至可以增值成为化工商品[15]。

微生物电合成系统通过胞外电子传递机制来利用系统内的所产生的电子，即微生物将胞内电子传递至胞外或直接从胞外捕获电子。而阴极从产甲烷菌上获得电子的方式又可以分为直接电子传递和间接电子传递[16]。这两种电子传递的方式并不互斥，即可以共存于一种微生物，并在反应进行时同时发生、相辅相成[17,18]。直接电子传递指阴极上的微生物将胞内产生的电子转移到胞外的电子受体表面，使得阴极电极表面获得电子还原CO2的过程。而间接电子传递是细菌通过外部环境而实现的，依靠电活性微生物通过电子媒介将电子传递给胞外电子受体的过程。可通过加入不同的电子媒介，改变微生物的能量代谢途径，加快电子传递速率，影响微生物本身的生理生长特性以提高产甲烷的性能[19,20]。

3 电极材料的选择研究现状

电极材料的选择在微生物电合成系统还原CO2产生有机物的反应中起着至关重要的作用。为了能提高产物的选择空间和系统整体的电流效率，对于不同电极材料的尝试主要集中在提高电极活性和稳定性上，其中最早的研究可以追溯到1870年，Royer等使用Zn电极在Na2CO3水溶液中通电还原了CO2，得到产物甲酸。自1980起，多数学者的主要研究方向聚焦在了使用汞齐化的Cu、Pb、Sn等作为电极以得到甲酸等有机物。Frese等[21]于1985年使用金属和半导体作为电极材料对CO2进行催化还原，最终得到产物甲醇。随后谢佳芳等[22]在实验时发现在 5 mA·cm-2的电流条件下，Cu电极能将CO2还原并同时产生甲烷和乙烯。二十世纪九十年代以来，Gattrell等[23]发现在低温环境下使用铜箔作为电极材料，以KHCO3与CuSO4的混合溶液作电解液，同样可以发生还原CO2的反应，且电流效率较高。21世纪以来，成本较低且容易得到的碳材料成为电极材料研究的热点。Hara团队[24]将玻碳电极置于高压下，发现电极表面可以快速发生CO2的还原反应，生成CO和甲酸等化合物。近年来，在碳电极上吸附电活性微生物催化还原CO2逐渐被关注，例如：Cheng等[25]将产甲烷菌作为催化剂附着在系统的阴极上，通过还原CO2得到了甲烷；Villano等[6]将嗜氢型产甲烷菌吸附在碳纸上作为生物阴极去还原CO2，同样得到了产物甲烷。

近年来，针对微生物电合成系统的阴极材料优化的研究也是层出不穷，主要分为电极的表面修饰和电极的改造两大方面[26]。表面修饰即对电极阴极的表面进行改性以提高电极性能，其材料的选择上多为金属、金属氧化物、聚合物薄膜等[27]。祁家欣等[28]使用将特定的官能基—COOH接枝在碳布电极表面上的方式对微生物电合成系统的阴极电极材料进行了改良，结果表明：经过—COOH改良的阴极材料，在亲水性上得到显著加强，产氢速率和乙酸累积浓度也要明显高于改良前。此外Le等[29]将氧化亚铜薄膜贴附在阴极表面，发现通过这种改性方法电还原CO2获得的甲醇产率和法拉第效率明显高于普通的铜电极。在电极改造方面，碳材料凭借其廉价易得、具有良好的电催化性能等优点而广受青睐。2010年Nevin首次使用石墨块电极成功构建了微生物电合成系统，发现其良好的导电性和稳定性对微生物电合成系统有着积极的影响[30]。Liu等[31]在微生物电合成产甲烷系统中放入经过热处理的不锈钢碳刷，经实验发现，热处理之后的不锈钢比未经过热处理的不锈钢有着更高的电流密度和产甲烷速率。

4 运行条件对微生物电合成系统的影响

MES是当前固定和利用CO2的技术手段中较为高效和清洁的，其原理是在外加电势的条件下，通过系统内微生物的催化作用，以CO2为原始底物产生甲烷和一系列高附加值的多元挥发性有机酸(VFAs)，其反应结果受多种条件的制约，例如反应的温度，pH值，外加电势的大小，系统内微生物的种类等，不同条件的变化会引起不同程度的反应进度及产物产率变化。

4.1 温度

利用MES技术产生多元挥发性有机酸的因素有许多，温度在其中起着至关重要的作用。温度不仅影响电化学体系的物理性质，同时还与功能微生物的代谢有密切关系，对微生物的生化反应速率也有着很大影响[32]。过高的温度会显著提高微生物电合成体系的厌氧消化过程，引起诸如病原体死亡率增大等不利影响，从而不利于微生物的代谢[33]；温度过低则会导致污泥活性较低，电子传递效率低，甲烷产率低，运营成本增加等不利条件[34]。因此，要控制合适的温度来提高产甲烷的速率。依据不同的产甲烷菌对于温度的喜好程度，可以分为喜好20 ℃～25 ℃ 的嗜冷菌、喜好30 ℃～45 ℃的中温菌、喜好 55 ℃～65 ℃的嗜热菌还有少量喜好75 ℃以上的极端嗜热菌[35]，其中中温型产甲烷菌占绝大多数。目前关于MES的研究大多集中在25 ℃～65 ℃的温度条件下。鲍白翎等[36]的实验表明：当实验温度由15 ℃增加到50 ℃时，MES中甲烷的产量从0.80±0.08 mmol增加到2.06±0.13 mmol，当实验温度持续增加到65 ℃及 70 ℃ 时，甲烷的总产量分别为1.58±0.12 mmol和0.77±0.07 mmol。甲烷整体产量随着温度的上升呈现先增高后下降的趋势。实验得出结论：对于产甲烷的微生物电合成系统最适宜的温度是在 35 ℃～50 ℃之间。

4.2 外加电势

当前研究表明，外加电势对电辅助微生物合成甲烷系统中产甲烷的机制、功能微生物的代谢和系统的库伦效率等多方面都有着非常重要的影响。过高或者过低的阴极电势会导致系统内的电化学功能微生物中生长代谢酶的减少，很大程度上阻碍了物质合成和能量代谢的发生，严重的情况下，甚至会使得细胞破损。在微生物电合成产甲烷系统中，外加电势的主要影响集中于系统内功能微生物组成的影响。西南大学的王辉等[34]在低温(15 ℃)条件下，通过使用微生物电合成系统处理有机废水产甲烷的实验得出结论：接入外加电势对微生物电合成系统产生甲烷的能力有显著的提高，系统阳极上累积的产甲烷量要高于阴极。通过分析气体组分发现，MES阳极的甲烷浓度相比于阴极的甲烷浓度较低，二氧化碳浓度则较高。Villano等[6]的研究表明，当阴极电势更偏向于正时(即大于-0.65 V vs SHE)，产甲烷菌可以通过直接胞外电子传递的方式从阴极电极表面获取电子并还原CO2产甲烷，而当阴极电势更偏向于负时(即小于-0.65 V vs SHE)，除了可以直接从电极表面获得电子还原CO2外，还可以先在阴极合成H2，然后利用H2还原CO2产甲烷。鲍白翎等[37]在研究不同电势条件下甲烷的生成时发现，产甲烷量和速率都是随着阴极电势的降低而逐渐升高，但是当阴极电势继续降低至-1.0 V甚至更负时，产甲烷量和速率开始减小，继续降低阴极电势直至MES不再产生甲烷。一方面是因为过大的电势会对微生物电合成系统内功能微生物的细胞膜产生不利影响，严重的情况下甚至破坏细胞膜；另一方面，随着阴极电势的逐渐降低，氢气、乙酸等副产物不断累积，抑制了系统产甲烷的能力。因此，控制合适的外加电压是微生物电合成产甲烷系统中的核心要素之一。

4.3 pH值

pH值已经被证明是影响甲烷产量的一个重要因素。较高的pH值会对系统产甲烷的能力起到一定的抑制作用，实践中保持溶液的pH值稳定在一个相对恒定的水平，有利于MES中甲烷的产生。前人的研究表明，中性pH值的环境更有利于甲烷的产生，然而系统后期甲烷的生成速率会呈现下降趋势，这是因为虽然中性pH值环境有助于产甲烷菌的生长代谢，但随着副产物乙酸的不断积累，产甲烷菌的活性受乙酸浓度的升高而被抑制，但是产甲烷菌不至于失活。如果系统在弱酸性的环境下，则给多链脂肪酸等副产物(如丁酸)的生成提供了更适宜的条件[6,38]。天津工业大学的王玉峰[39]在探究阴极室pH对MES的影响的实验中得到在恒定pH值的条件下，MES的电流密度下降速度要比非恒定的pH值条件下更加缓慢，使得系统阳极可以更高效地利用有机物为系统阴极提供充足的电子使用，使得系统的运行更加高效。鲍白翎[37]的研究表明，在温度为50 ℃的条件下，系统内的H+快速消耗，系统pH值也随之上升，当系统pH值上升至一定程度后不再产生甲烷，重新调整培养液pH值至6.64后系统继续产出甲烷。这一现象证明了MES的产甲烷能力会随着系统内培养液pH值的升高而被抑制。此外有研究表明，在添加外源氢气的情况下，系统内嗜氢产甲烷菌的代谢会被促进，从而使得抑制产甲烷的pH值临界点被抬高[40]。

4.4 产甲烷菌

产甲烷菌作为MES的重要组成部件之一，占据着至关重要的位置。MES主要是通过某些类型的细菌可以与阴极电极表面相互作用，使其附着在阴极表面充当电子供体[41]。微生物种类的不同可以导致系统产甲烷速率和捕获电子能力存在很大差异。目前在微生物电合成产甲烷系统中应用最广泛的产甲烷菌主要包括甲烷杆菌目和甲烷八叠球菌目。2009年,Cheng等[25]首次使用产甲烷菌进行微生物电合成，得出结论：在阴极电势低于-0.8V的条件下，以二氧化碳作为原料，系统内甲烷的生成速率为 200 mmol·m-2，库伦效率高达96%。Villano等[6]选择嗜氢型产甲烷菌作为生物阴极催化剂还原二氧化碳同样在系统中获得了甲烷。需要注意的是，部分微生物具备产电能力，却不具备电子传输能力，因此需要一些其他微生物协同进行电子运输，所以系统内的产甲烷菌常以混菌的形式出现。多位前人的研究得出，良好的系统内微生物应具备良好的产电能力、化学稳定性，良好的生物兼容性以确保不会与系统内其他微生物发生反应，比表面积要确保能与溶液充分接触以及低成本、平价易得等优点。

4.5 库伦效率

库伦效率是指示微生物电合成系统捕捉和利用电子的指标[42]。目前的研究基本确认微生物电合成系统理想的库伦效率在23.1%～96%区间内。正如前文所述，系统内会有一部分电子用来合成系统内的一些副产物如氢气、挥发性脂肪酸等，这也是导致系统库伦效率无法到达100%的主要原因[12]。因此，在提高微生物电合成系统的库伦效率方面，现在学者们的研究重点主要集中在通过抑制该生物电合成系统中副产物的产生的方式以提高效率。鲍白翎等的实验证明：甲烷的库伦效率的大小随着温度的升高呈正态分布形式，电子利用效率最高的区间主要集中在20 ℃～50 ℃之间，这也和大多数的产甲烷菌是中温菌有关系[37]。有实验证明：在不同的电势梯度条件下，给定恒定的外加电势，在反应的过程中，溶液的pH值逐渐增大导致微生物电合系统内阻增大，引起系统电流的减小，因此系统的库伦效率也随之减小，可以得出库伦效率的大小还可能与溶液的pH值相关[36]。同时，除了外加电势所提供提供的电量之外，有些电活性微生物本身可能也能够提供电量，但是这部分的研究目前还有些欠缺。

5 微生物电合成系统与厌氧发酵系统耦合产甲烷

厌氧发酵是一个综合性的化学反应过程，参与反应的各种微生物在系统内建立一个完整的有机生态系统，并形成互养共生的关系。厌氧发酵系统可以分为四个阶段，分别是：水解、发酵、产氢产乙酸和产物甲烷化。在产甲烷阶段，产甲烷菌将系统内的乙酸、丙酸、丁酸和乙醇等小分子有机物作为代谢原料并生成甲烷[43,44]。微生物的活性直接决定了厌氧发酵系统产甲烷能力的强弱，传统的厌氧发酵系统存在着反应速率低、反应周期长、反应产生大量副产物而导致尾液pH值过低抑制产甲烷菌活性，最终导致产甲烷效率低等问题[45]。而通过厌氧发酵系统耦合微生物电合成系统的方式，可以利用微生物电合成系统大量消耗氢离子从而放缓尾液中pH值的下降速度，最终达到加快降解速率、提高系统产甲烷能力的目的[46,47]。

微生物电合成系统耦合厌氧发酵系统作为一项有着很广阔的应用前景的技术，近年来的研究也是蓬勃发展，如2016年，Ding等[48]通过实验明确了不同的外加电势条件下，对微生物电合成系统偶耦合厌氧发酵系统的产甲烷效率和微生物活性的影响，阐明了外加电势是影响系统产甲烷效率的一项重要的影响因素。2017年Cerrillo等[49]对比了不同生物质溶液中培养的微生物电合成系统在产沼气方面的降解效率，最终得出结论：与厌氧发酵系统耦合的微生物电合成系统产甲烷效率最为理想。Dou等[50]在2018年对比经过厌氧发酵与微生物电合成系统的耦合处理的食物残渣废液和单纯厌氧发酵处理的食物残渣液，发现前者在速度上提高近170%。此外，在厌氧发酵系统耦合微生物电合成系统中，有大量研究通过提高电极性能来实现提高整体系统的产甲烷能力，目前主要通过优化电极结构和对电极表面进行改性处理两种手段来实现对电极性能的提升[51]。前人研究表明，用带有正电荷的物质对阳极表面进行修饰，可以通过提高电极表面微生物负载量的方式提高阳极性能，进而提高耦合系统降解能力和产电能力[52]。在阴极方面，Zhang等[53]通过使用不同材料修饰阴极，提高了产氢产乙酸阶段产乙酸菌在阴极的产乙酸能力，为甲烷化阶段提供了更为充足的原料，系统的产甲烷能力和降解能力也得到优化。

6 总结与展望

MES作为一项清洁、高效的电化学技术有着很广阔的应用前景，二氧化碳的控制与减排是人类社会发展的必然趋势，微生物电合成系统的发展也为力争实现碳达峰、碳中和目标起着积极的推动作用。二氧化碳是微生物电合成系统中最为关键的部分，当前的研究聚焦于如何通过微生物系统来固定二氧化碳并使其转化为高附加值的有机化合物产品，多数为甲烷、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等结构较为简单的有机化合物，其中又以甲烷的研究最为广泛。近年来，环境、能源及相关领域的学者做过多种研究来提高MES系统的产率和目标产物的累积浓度，尽可能最大化地得到理想的产物。同时MES系统技术受制于多种影响因素，如CO2的供给方式,系统内微生物群落的选择，系统外加电势的调控等等，时代的发展也给微生物电合成系统的深度探究带来了机遇和挑战。在未来，学者们将进一步增强系统的工程效率作为生物催化剂的反应器，争取克服可能受到限制的因素。随着技术的发展，适应性强的生物催化剂将成为未来的研究热点，追求更大更高效的反应器结构，以及能够承受更极端的温度，盐度和压力等运行条件也将是研究的目标。

MES系统处理二氧化碳的研究已经得到了许多具有价值的数据,但目前的研究成果还未达到商业化所期望的稳定性质。本文讨论了MES系统当前的一些主要研究的方向和运行条件对MES系统的影响,目前MES的研究仍主要停留在实验室阶段，相信经过学者们的不断优化，可以提高MES系统的商业可行性，最终可以实现MES系统作为一种平价、易得、高效、绿色的CO2的处理手段。