电极附着细胞选择性富集提升微生物电合成系统中CO2 转化为乙酸盐的效率

　　本研究针对微生物电合成（MES）中电子传递效率低的问题，通过周期性培养基替换策略选择性富集电极附着细胞，对比其与悬浮细胞在CO2 转化中的性能差异。结果表明，电极附着细胞在100%培养基替换条件下乙酸盐产量最高（0.50±0.02 g/L/day），库仑效率达86±3.4%，显著优于H2 或甲酸盐辅助的悬浮细胞。该研究为优化MES的电子传递路径提供了理论依据，推动碳负性技术的发展。

　　

研究背景与意义
全球气候变化背景下，碳捕获与利用（CCU）技术成为研究热点。微生物电合成（Microbial Electrosynthesis, MES）利用电活性细菌（Electroactive Bacteria, EAB）将CO₂
转化为高附加值化合物（如乙酸盐、甲烷），兼具碳负性和可持续性优势。然而，MES的瓶颈在于电子传递效率低，尤其是阴极与微生物间的相互作用。现有研究多聚焦于间接电子传递（Indirect Electron Transfer, IET）媒介（如H₂
、甲酸盐），但其存在溶解度低、能量损耗大等问题；而直接电子传递（Direct Electron Transfer, DET）虽效率高，却缺乏系统性的性能对比数据。

研究设计与方法
韩国能源技术评价与规划研究院（KETEP）团队设计双室H型MES反应器，通过周期性培养基替换（100%和50%替换率）选择性富集电极附着细胞，并与H₂
或甲酸盐辅助的悬浮细胞对比。关键技术包括：

1. 电化学分析：循环伏安法（CV）检测电子传递特性；
2. 微生物群落分析：高通量测序（NGS）鉴定优势菌种；
3. 形态学表征：场发射扫描电镜（FE-SEM）观察生物膜结构；
4. 定量检测：BCA法测定蛋白质含量，高效液相色谱（HPLC）分析代谢产物。

研究结果

1. 乙酸盐生产效率对比

   • 电极附着细胞在100%培养基替换条件下表现最优，乙酸盐产量达0.50±0.02 g/L/day，库仑效率86±3.4%；
   • 50%替换组产量下降至0.36±0.01 g/L/day，表明完全替换可减少代谢抑制；
   • H₂
     和甲酸盐辅助的悬浮细胞产量分别仅为0.17±0.01和0.29±0.01 g/L/day，验证DET的效率优势。

2. 生物膜与电子传递机制

   • FE-SEM显示电极表面形成致密生物膜，介导DET；
   • CV分析证实电极附着群落具有显著氧化还原峰，而悬浮细胞依赖溶解性媒介。

3. 微生物群落与代谢活性

   • NGS揭示电极附着群落以Acetobacterium
     等产乙酸菌为主；
   • 血清瓶实验显示电极附着细胞蛋白质含量更高，比生产速率优于悬浮细胞。

结论与展望
该研究首次系统比较了MES中DET与IET路径的性能差异，证实电极附着细胞通过Wood-Ljungdahl通路高效固定CO₂
。选择性富集策略为MES工艺优化提供了新思路，其高库仑效率（86%）和长期稳定性对工业化应用至关重要。未来可结合阴极材料改性（如多孔石墨毡）进一步提升生物膜负载量，推动MES在碳循环经济中的实际应用。

（注：全文数据与结论均基于原文，未添加非文献支持内容。）