三室气体扩散阴极微生物电解CO2合成乙酸

环境科学与生态技术16（2023）100261原创研究三室气体扩散阴极微生物电解CO2合成乙酸Pao loDessaaa，b，*，ClaribelBuen an~o-Vargasc，Mara goMartínez-Sosaa，SimonMillsc，AnnaTre goc，UmerZ. Ijazd，DeepakPante，Sebastia`Puigb，VincentO'Flahertyc，PauFarra`sa生物和化学科学学院及能源研究中心，高威大学瑞安研究所，University Road，H91 CF50，Galway，IrelandbLEQUiA，InstituteoftheEnemment，UniversityofGirona，CarrerMariaAur`eliaCapmany69，E-17003，Girona，Spainc爱尔兰戈尔韦大学自然科学学院微生物学系，University Road，H91 TK33，d联合王国格拉斯哥大学工程学院基础设施和环境研究司e分离和转化技术，佛兰芒技术研究所（VITO），Boeretang 200，2400，Mol，Belgium我的天啊N F O文章历史记录：接收日期：2022年8月29日接收日期：2023年2023年3月10日接受关键词：醋酸杆菌生物电化学系统电导率电化学电池设计气体扩散电极A B S T R A C T微生物电合成（MES）的工业应用受到来自低电解质电导率和低效电池设计的高过电位的阻碍。在本研究中，一个混合的微生物菌群起源于厌氧消化器操作在盐条件下（~13 g L-1NaCl），适用于生产乙酸的碳酸氢盐在恒电流（0. 25 mA cm-2）的H型细胞在5，10，15，或20 g L-1的NaCl浓度。产乙酸菌群仅在5和10 g L-1 NaCl浓度下富集，其抑制阈值约为6 g L-1NaCl.然后将富集的浮游生物群落用作3D打印的三腔室细胞的接种物，该细胞配备有气体扩散生物阴极。电池通入CO2气体，恒电流工作（0.25或1.00mA cm-2）.当NaCl浓度为5 g L-1，电流为1 mA cm-2时，产率最高为55.4 g m-2 d-1（0.89 g L-1 d-1），库仑效率为82.4%，平均产乙酸44.7 kg MWh-1.扫描电子显微镜和16 S rRNA测序分析证实了由醋酸杆菌属主导的阴极生物膜的形成。最后，三个3D打印细胞串联液压连接以模拟MES堆栈，实现了比0.25 mA cm-2的单个细胞三倍的生产率。这证实了三室MES电池是一种有效且可扩展的技术，用于将CO2生物电再循环为乙酸盐，并且中等盐条件（5 g L-1 NaCl）可以帮助降低其功率需求，同时保持产乙酸菌的活性©2023作者出版社：Elsevier B.V.代表中国环境科学学会这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍微生物电合成（MES）是一种利用微生物代谢将CO2还原为绿色化学品的新兴电化学过程[1]。在MES中，特定的微生物d-营养菌d已被证明通过直接从阴极电极吸收电子来催化CO2还原为多碳有机分子和H2还原为H2 [2]。当厌氧微生物的混合聚生体用作接种物时，*通讯作者。LEQUIA，环境研究所，赫罗纳大学，Carrer MariaAure`liaCapma ny69，E-17 003，赫罗纳，西班牙。电子邮件地址：paolo. udg.edu（P。Desskirk）。群落通常演变成产H2的电养生物（例如，脱硫弧菌属）和产乙酸菌（例如，醋酸杆菌和梭菌属）通过Wood-Ljungdahl途径（WLP）使用H2作为电子供体还原CO2[3，4]。微生物充当廉价、有弹性和自我再生的催化剂，能够以高选择性靶向特定产品，并且与金属基催化剂不同，可以适用于处理含有杂质的工业废气[5]。然而，MES的建立仍然受到电流密度的阻碍，电流密度仍然比最先进的电解槽低1 e2个数量级，并且MES研究中使用的次优化电池设计（主要是H型电池）经常导致高电池电压[6]。设计模块化、可扩展、高效的电池是将MES推向工业应用的因此，在本发明中，https://doi.org/10.1016/j.ese.2023.1002612666-4984/©2023作者。由Elsevier B.V.代表中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表环境科学与生态技术期刊主页：www.journals.elsevier.com/environmental-science-and-www.example.comP. 德塞角 Buenan~o-Vargas，S. 马丁内斯-索萨等人环境科学与生态技术16（2023）1002612●研究和开发工作逐步指向创新的MES电池配置，目标是工业上显著的生产率[7]。对于实验室规模的实验，3D打印技术可以用于以相对较低的成本设计和实现创新的细胞配置，制造定制的电极[8]，甚至是嵌入微生物体的合成生物膜[9]。 应使用廉价材料实现可扩展的设置，因为由于生物催化剂可实现的低电流密度（理论上限于50 mA cm-2），在全规模MES装置中将需要大的电极表面[10]。提高生产率的研究方法包括具有高表面积、导电性和疏水性的改性阴极，或旨在促进生物膜粘附和CO2气体、微生物和电解质之间传质的特定电池设计[11]。在提出的配置中，配备气体扩散电极（GDE）的三室电池是一种易于扩展的技术，可以通过克服水相系统面临的CO2溶解度限制来促进传质[12]。GDE将用于气体扩散的聚合物层与用作阴极生物膜的形成的支撑的导电层结合，所述导电层现场暴露于两种基底和还原等效物，从而限制气体通过液体电解质逸出这导致比浸没系统更高的 CO2转化率[13]。除了反应器设计效率低下外，MES的电效率由于使用微生物相容的低电导率电解质（通常约10 mS cm-1），电池的电阻通常较低，这会导致高欧姆降，从而导致高电池电压[6]。使用具有较高电导率的电解质将导致大量的能量节省，只要细菌的生产力不受损害。NaCl基电解质可用作具有高离子电导率的高成本效益的强电解质[14]，但其在MES系统中的使用将需要能够在盐水条件下生长的特定耐盐/嗜盐物种[15]。然而，产乙酸菌具有高度多样性的生态位，在不同的盐环境中具有代表性的物种[16]。在该组的一些成员中，例如伍氏醋酸杆菌，生长和从CO2和H2形成乙酸盐的反应是严格依赖于Na+的，因为它是由利用乙酰辅酶A途径中的Na+梯度的化学渗透机制驱动的[17]。此外，NaCl胁迫诱导产乙酸生物如杨氏梭菌中的生物膜形成，这在MES细胞中是期望的[18]。尽管有可能的优势，但关于这些非嗜盐性ace togens的Na+耐受性阈值的信息很少，特别是当与MES的其他常见应激源（包括离子迁移、氧侵入和酸性条件）组合Alqahtani等人[19，20]提供了关于使用来自盐水栖息地的微生物在MES细胞中减少CO2的第一个概念证明，证明了在高达25%的总盐度（电导率高于200 mS cm-1）下的乙酸生成。然而，乙酸盐产量低（以mg为单位）且不稳定，电流密度大多低于0.15 mA cm-2。Zhang等人[21]在通过降低Mg和Ca浓度来降低阴极电解液的硬度之后，在35 g L-1（3.5%）盐度下实现了3.5 g m-2d-1的稳定乙酸盐产量通过实施三室电解槽以避免阳极处的氯化物氧化，生产速率进一步增加到9 g m-2 d-1然而，该系统仅在0.156 mAcm-2的低电流密度下进行测试，库仑效率不超过35%，并且电池电压没有显著降低，电池电压保持在2.45 V。因此，较温和的盐度条件可以代表微生物效率和电效率之间的权衡，以实现每单位电力投入的最高产物合成。在这项研究中，接种物先前驯化厌氧消化在盐水条件下，即，~13 g L-1（1.3%）NaCl，评价了用含5、10、15或20 g L-1 NaCl的电解质喂养的H型MES细胞中乙酸盐的产生。然后将表现最好的微生物聚生体用作3D打印的三室细胞的接种物，所述三室细胞恒电流操作并配备有GDE，在不同的电流密度下操作，以实现从CO2作为唯一碳源的最高乙酸盐生产率。此外，将三个电池液压串联以模拟MES电池堆，并与单个电池相比评估其整体性能。2. 材料和方法2.1. 实验装置2.1.1. H型电池装置Isipato等人先前描述了H型细胞[22]。简单地说，它们由两个工作体积为150 mL的玻璃腔室组成，每个玻璃腔室由Na Fion 117质子交换膜（8.5 cm2，Fuel Cell Store，USA）隔开。将阴极室连接到气囊（1L），而阳极室是开放的以避免氧气在顶部空间中积累。电池配备有碳布阴极（Panex 30 Fabric PW06，Fuel Cell Store，USA）和PteTi网阳极（Goodfellow，UK），其投影表面分别为12和4cm2，彼此相距约10cm。将电池放置在搅拌板（Cole-Parmer，US）上以连续混合阴极电解液，所述搅拌板连接到双稳态恒电位仪（Autolab M204，Metrohm，Switzerland）。电极配置，并在环境条件（18e24℃）下操作。2.1.2.三室细胞设置设计了定制的三腔室电池（图1），每个腔室的体积约为200 mL，并在UV固化树脂材料（3D Technology Ltd，Ireland）中3D打印。补充材料中的图S1提供了电池框架的蓝图使用具有64 cm 2投影表面的VITO-Core ® GDE [23]作为阴极，Pt e Ti网（4 cm 2）作为阳极。两个 电 极 由 Na fion 117 膜 （ 64 cm2 ） 隔 开 。 将 Ag/AgCl 参 比 电 极（Alvatek，UK）添加到阴极室中，与GDE相距大约1cm。在阴极室和阳极室中均安装了由玻璃瓶和蠕动泵（Verder Vantage 300，UK）组成的再循环管线，每个室的总工作体积为400 mL。气体进料管线由通过尼龙管线连接到气体流速控制器（EL-Flow base，Bronkhorst，TheNetherlands）和电池的气体扩散室的纯CO2气瓶组成。阴极和阳极再循环瓶都是打开的，以避免气体积聚造成的超压，但阴极通过单向阀受到保护，免受大气中氧气的侵入（图1）。电池以三电极配置连接至恒电位仪。2.2.接种物、阳极液和阴极液从实验室规模的厌氧消化器收集的接种物产生甲烷（CH4）从含盐（~13 g L-1 NaCl）的合成废水含有乙酸盐，葡萄糖和胰蛋白胨超过500天。原始接种物是来自乳制品加工工业（Carbery，Ireland）的厌氧消化器污泥。阳极电解液的组成（g L-1 ）为：KH2 PO4（0.33），K2HPO4（0.45），NH 4Cl（1.0），KCl（0.1），MgSO4 7H2 O（0.2）、NaHCO3（4）和不同浓度的NaCl（5、10、15或20）。除这些化学物质外，阴极电解液还含有维生素（1mL L-1 ） 和 微 量 金 属 （ 10 mL L-1 ） 的 混 合 物 （ DSMZ 培 养 基144）。在每个反应器开始时向阴极电解液中加入2-溴乙烷磺酸钠（Na-BES，1g L- 1P. 德塞角 Buenan~o-Vargas，S. 马丁内斯-索萨等人环境科学与生态技术16（2023）1002613-Fig. 1. a，三室单元设计。bec，单个三室电池（b）和三个电池堆（c）的实验设计。防止甲烷生成。在H型电解槽中，初始pH值设定为6，而在三室电解槽中，初始pH值设定为7，以抵消连续CO2喷射引起的酸化2.3.MES单元操作和采样所有单细胞实验一式两份进行。H型电池在3 mA（0.25mA cm-2）的施加电流下以补料分批模式恒电流地操作三个连续循环，总共40天。在每个周期结束时，10%（即加入含40 g L-1 NaHCO3的新鲜阴极电解液，使初始浓度恢复到4 g L-1。阴极电解液和阳极电解液的样品每周收集三次。由于阴极处电化学OH-生成而显示出上升趋势的pH至少每周一次或在超过pH 9的任何时间通过投加3 M HCl调节回6.0（±0.1）。在恒电流模式下，在16 mA（0.25 mA cm-2）或64 mA（1.00mA cm-2）的外加电流下，三室细胞总共操作了32至42天。CO2气体以2 mLmin-1的恒定速率通过GDE连续供应。阴极电解液和阳极电解液均以25 mL min-1的超低速率连续再循环。每周采集三次液体样品在每个采样日通过将气囊连接到阴极出口2小时来收集气体样品。该电池堆由3x三腔室电池组成，这些电池以液压方式串联连接，从而形成一个再循环回路，其中一个电池的出口连接到下一个电池的入口（图1）。最初，在含有400 mL阴极电解液和含有5 g L-1 NaCl的阳极电解液的单细胞中富集自养群落，如在先前的实验中所做的。大约30天后，加入新鲜的阴极电解液和阳极电解液（各达到900 mL的总体积），并打开三个电池之间的阀门，使微生物定殖到另外两个电池中。分别向三个电池提供CO2（5 mLmin-1）和电流（0.25或1.00mAcm-2）相对于单细胞实验，需要较高的CO2流速来抵消通过三种膜的氧气侵入，从而保持厌氧条件。2.4.SEM成像和微生物分析如Isipato等人[ 22 ]所述进行扫描电极显微镜（SEM）分析。简单地说，使用戊二醛和多聚甲醛（各2%）在0.1 M二甲胂酸钠缓冲液中的溶液固定阴极样品，在增加的（30至100%）乙醇浓度中干燥，镀金并在100 ℃下成像（SEM Hitachi S4700）。15 kV和50mA。在每个实验结束时收集阴极群落样品用于微生物群落分析。对于H型电池，轻轻地移除整个阴极电极并浸没在含有12mL无菌阳极电解液的Falcon管中，所述无菌阳极电解液具有与电池中存在的NaCl浓度相同的NaCl浓度，以避免对微生物的渗透应力将类似的方法用于GDE，将其浸没在300 mL和400 mL阳极电解液中的无菌玻璃容器中。阴极生物膜通过5分钟超声处理（QR Kerry，Ireland）、剧烈振荡和/或涡旋（仅用于碳布）。通过在50 mL Falcon管中以7830 rpm连续离心（Eppendorf，Germany）将GDE群落浓缩至总计12 mL。然后将样品转移到6个重复的预称重的2 mL Eppendorf管中，并以10000 rpm离心10 min（Legend Micro 17，Thermo Scientic）。弃去上清液后，称量沉淀，在液氮中速冻并储存在80℃进行分析。从约20至 50 mgP. 德塞角 Buenan~o-Vargas，S. 马丁内斯-索萨等人环境科学与生态技术16（2023）1002614¼湿生物质。提取前，用1体积PBS（1x）洗涤样品，以300 rpm振摇7 min，并以12000g离心5 min沉淀。弃去上清液后，加入冰冷的PBS重复该程序一次第二次循环后，将沉淀物重悬于500 mL 1%CTAB缓冲液中[24]，然后在35 kHz下超声处理30 s（Bandelin，Germany）[25]。将DNA提取物标准化至5 ng mL-1，使用引物组515 F和806 R [26]扩增16srRNA基因V4区域，然后在Illumina MiSeq平台上通过MrDNA（Molecular Research LP，Texas，USA）进行测序。用15 g L-1NaCl处理H型细胞，由于DNA产量低，故弃去样品。使用QIIME2平台内的DADA 2回收扩增子序列变体（ASV），并根据先前描述的方案[ 27 ]，基于SILVA SSU Ref NR数据库版本v. 138进行分类学分配。使用R的ggplot2软件包在属水平上绘制了25种最丰富 的 微 生 物 的 分 类 群 条 使 用 Bray-Curtis 距 离 通 过 主 坐 标 分 析（PCoA）进行β多样性分析测序数据可在NCBI BioSample数据库（Bioproject ID PRJNA897847）中公开获得2.5.化学和电化学分析通过AET 30电导率测试仪（Fisher Scienti fic，USA）测量电导率，而使用配备有细长pH探针（Hamilton，Switzerland）的控制器（Cole Parmer 300，UK）监测pH值。如前所述，通过配备Hi-CH 3OH柱和折射率检测器（RID）的高效液相色谱法（HPLC1260 Infinity，Agilent Technology，USA）测定阴极电解液和阳极电解液（羧酸和醇）的液体样品组成[28]。Na+浓度通过电感耦合等离子体电子发射光谱法（ICP-OES，Agilent 5110，US）测量，而游离氯浓度使用DPD游离氯测试N'管试剂盒（Hach，USA）测量。将产生的气体收集在气袋中，通过注射器定量，并通过气相色谱法（GC8860，Agilent Technologies，USA）分析（H 2、CO 2和CH 4）。气相色谱仪配有串联的GS-Carbon Plot和HP-PLOT Molesieve色谱柱保持在50 ℃，并具有热平衡。电导检测器 （ TCD ）保持 在150 ℃ 。氦气 作为载气，流 速为2mLmin-1。H型电池在双电极配置下运行，其中电池电压由恒电位仪持续监测。在取样日，在阳极电解液中插入参比电极（RS Pro RS12，Radionics，UK）后，使用电极测量阳极电位。三室电解槽在三电极装置上运行，其中不断监测阴极电位，而在采样日测量阳极电位和电解槽电压在每次运行开始时通过双电极电阻抗谱（EIS）在0V、10mV的正弦振幅和0.1e100kHz的频率范围下以每十倍十个测量点测定电池的欧姆2.6.计算连续采样日之间的生产率计算为在时间单位内产生的乙酸盐的量（阴极电解液和阳极电解液中检测到的乙酸盐的总和）归一化为阴极电解液体积或阴极投影表面。具体产量按所生产醋酸盐与所消耗电力的比率计算。库仑效率（CE）被确定为以电流形式提供的总电子的分数，其以乙酸盐形式回收。碳转化效率计算为碳以CO2的形式引入电解槽，而碳以乙酸盐的形式回收除了来自电池堆的那些结果之外，所有结果均表示为在相同条件下操作的两个独立电池的平均值和标准偏差。对于三室电解槽，通过计算不同NaCl浓度和电流密度下稳态生产期间的平均生产率、CE、比产量和碳转化效率进行了进一步的统计比较。通过单因素方差分析（ANOVA）和Tukey检验（p 0.05）评估显著差异。根据欧姆定律，从测量的电池电压和阳极电势估计H型电池的阴极电势。欧姆过电位计算为欧姆电阻（通过EIS测量）和施加电流的乘积3. 结果和讨论3.1. 不同盐度在5和10 g L-1初始NaCl浓度下，微生物群落成功富集了碳酸氢盐的乙酸盐生产，USGS将其定义为 在这两种情况下，乙酸盐在3和5天的滞后期后被检测到，并且在含有5和10 g L-1 NaCl的重复细胞中，到第40天，乙酸盐分别累积到总共1.3 ± 0.3和1.4 ± 0.3 g L-1（图1）。 2）的情况。15和20 g L-1的较高NaCl浓度导致醋酸盐产量降低90%以上（图 2），表明产乙酸微生物的抑制。乙酸盐是在电解槽中检测到的唯一产物，除了在运行的第一天发现少量甲酸盐（0.2 g L-1）和仅在5 g L-1 NaCl浓度的电解槽中检测到痕量丙酸盐（0.1 g L-1）除 NaCl （ 5 、 10 、 15 或20 g L-1 ）外，还引入了 NaHCO3 和NaBES等其它Na+源，使Na+的初始浓度分别为3.0± 0.0、4.1±0.2、7.1± 0.0和2.0 ± 0.0。8.8±0.1g L-1 Na+。这导致初始阴极电解液电导率的17.5±0.4,22.3±1.0,34.9±1.6和41.4± 3.2mScm-1。在每个补料分批循环开始时，将额外的NaHCO3引入阴极电解液中，并通过NaHCO3从阳极迁移穿过膜[30]，导致浓度趋势增加 Na+迁移通过其在阳极电解液中浓度的降低（图2）以及阴极电解液和阳极电解液中电导率的增加和减少趋势（图3）得到证实。补充材料中的S2）。本文获得的结果（图（2）表明6 g L-1 NaCl以上的NaCl浓度对产乙酸菌群有抑制作用，10 g L-1 NaCl以上的NaCl浓度启动时，产乙酸菌群产乙酸能力下降。以前关于厌氧消化的研究表明，某些产乙酸菌的混合培养物可以在24 g L-1的Na+浓度下代谢 [31]，尽管抑制阈值取决于微生物。此外，MES电池易于受到额外的应力条件，例如来自阳极室的O2侵入，这可能有助于微生物抑制并导致产物氧化[32]。当使用盐电解质时，另一个问题可能是氯化物质的产生（即，Cl2，HClO），然后可以向阴极扩散然而，在最坏情况下（电池用20 g L-1 NaCl启动），仅检测到4.2（±2.9）mg L-1游离氯的阴极浓度，这似乎太低而不会引起抑制[33]。电解质中较高的盐度以及因此较高的介质渗透性导致电池的较低的欧姆电阻（归一化为每电化学活性表面积），其估计为260.6±5.8、169.2± 9.4、120.2± 14.4和120.2 ± 14.4。P. 德塞角 Buenan~o-Vargas，S. 马丁内斯-索萨等人环境科学与生态技术16（2023）1002615----图2. a，在不同初始NaCl浓度下H型MES细胞的乙酸盐生产特性。bec，在每个补料分批循环开始和结束时（第0e 14、14e 28和28e 40天）阴极电解液（b）和阳极电解液（c）中的Na+该曲线代表在每个补料分批循环开始时补料4g L-1 NaHCO3后的Na2CO 3浓度93.4 ± 11.3 m Um2，NaCl浓度分别为5，10，15和20 g L-1，基于EIS分析（图2）。 S3在柔顺材料中）。这导致欧姆过电位从0.33±0.01V（用5gL-1 NaCl）降至0.21± 0.02V（用10 gL-1 NaCl），并进一步降至0.12± 0.01V（用20 gL-1 NaCl）。因此，具有10 g L-1NaCl的电池比具有5 g L-1 NaCl的电池在电学上更有效，需要更低的电压（2.5 e 2.6 V）来向阴极输送相同的0.25 mA cm-2 电 流（表1）。这导致了58.4 kg MWh-1的最大乙酸盐特异性产量，比5 g L-1NaCl（46.8 kg MWh-1）高出24%。尽管施加了更高的电流（0.25vs 0.156 mA cm-2），但电池电压与Zhang等人[21]在35 g L-1盐度下双室电池中报告的电压相似，表明添加超过10 g L-1NaCl可能不会显著提高电池的效率。在第二和第三个补料分批循环中，在两种NaCl浓度下，乙酸盐生产获得了相似的CE，在5和10 g L-1NaCl的细胞中，其平均CE分别为43%和46%这证实了微生物群落减少在两种盐度条件下，CO2转化为乙酸盐的效率相似，只要没有达到抑制条件，较高的盐度可能有助于降低细胞此外，微生物群落显示出对阴极电位的弹性，在初始NaCl浓度为5和10 g L-1 NaCl的细胞中，阴极电位在1.15和1.46 V之间波动，在1.04和1.48 V之间波动，pH随时间增加，偶尔超过pH 9，然后调整回6（图1）。补充材料中的S4）。3.2.三室微生物电合成槽中CO2在初始NaCl浓度为5和10 g L-1的条件下，将H-型细胞中富含乙酸的亚硝酸盐群落用作三室CO2-供液细胞的接种物（10% v/v），其中阴极电解液和阳极电解液的组成与先前实验中使用的相同。电池最初在0.25 mA cm-2（16 mA）的相同特定施加电流下运行乙酸表1在阴极电解液和阳极电解液中NaCl的初始浓度分别为5和10 g L-1的情况下，在恒电流模式（0.25 mA cm-2）下操作的电池的关键性能参数所示结果是指一式两份细胞随时间线性（R2> 0.96）乙酸盐生产的平均值。NaCl浓度（g L-1）补料分批循环行动天数a(mScm-1）醋酸盐生产率平均电池电压（V）(kgMWh-1）库仑效率（%）g m-2 d-1mg L-1 d-151第五季第十集17.06.552.02.6340.3382十四季二十一集21.77.257.42.6544.3423第二十八季第三十五集26.47.459.32.6546.844101第五季第十集22.75.745.42.58b36.2342十四季二十一集28.29.374.32.5258.4523第二十八季第三十五集32.36.854.52.5742.339a稳态醋酸盐生产期。b由于重复单元中的测量问题，该值仅指一个单元 全电压分布图见图。 补充材料中的S4。P. 德塞角 Buenan~o-Vargas，S. 马丁内斯-索萨等人环境科学与生态技术16（2023）1002616在初始NaCl浓度为5 g L-1 NaCl的细胞中，从第5天开始检测到乙酸盐的产生，而在用10 gL-1 NaCl启动的细胞中，直到第10天才检测到显著的乙酸盐产生（图1）。3）。这与在H型电解槽中获得的结果不一致，在H型电解槽中，用5或10 g L-1 NaCl的电解槽的启动时间没有检测到差异GDE电池较大的跨膜面积导致了比H型电池更高的朝向阴极的氧交叉，这是合理的这给生物体带来了进一步的压力，导致启动较慢。此外，直接用厌氧污泥对三室细胞进行富集的几次尝试都失败了，这表明成功启动需要在H型细胞中进行预富集[34]。启动后，在初始NaCl浓度为5和10 g L-1的细胞中，乙酸盐以7.7和5.5 g m-2 d-1（0.12和0.09 g L-1 d-1）的平均速率线性产生（图3），平均CE分别为46.1%和32.5%（图4）。连续的CO2喷射导致相对稳定的pH值（图3），其不像在碳酸氢盐进料的H型电池中发生的那样随时间在含5 g L-1 NaCl的电解槽中，由于乙酸盐积累，阴极电解液pH甚至缓慢下降至6左右，而在含10 g L-1NaCl的电解槽中，由于乙酸盐产生较慢，阴极电解液pH仍较高（6.4）（图11）。 3）。用5gL-1 NaCl时阳极pH稳定在2左右，而用5g L-1 NaCl时阳极pH甚至更低。10 g L-1 NaCl（补充材料中的图S5）。在阴极出口气体中既没有检测到氢气也没有检测到甲烷，主要由残留的CO2组成，少量浓度的氧气（<1%）可能从阳极室通过Na Fion膜扩散。在接种混合培养物的MES细胞中，兼性微生物消耗通过膜扩散的氧气，避免抑制群落的厌氧成员，尽管以CE为代价[11]。由于在阴极顶部空间中不存在氢表明生物催化剂可以支持更高的电流密度，因此将施加的电流增加四倍至1 mA cm-2（64 mA）。在初始NaCl浓度为5 g L-1的细胞中，增加4倍的电流输入导致平均乙酸产生速率增加7倍以上，为48.3 g m-2d-1（0.77 g L-1d-1），峰值为55.4 g m-2d-1（0.89 g L-1d-1）（图2）。 4）。事实上，除了提供更多的还原当量之外，增加电流在第17天和第24天将CE提高到平均71.9%，最高为82.4%。在这些条件下实现的平均碳转化效率为8%，这表明需要气体再循环[35]和/或串联连接几个电池以实现完全转化。从第24天开始，由于阴极电解液中的乙酸盐积累（>5 g L-1），生产速率降低（补充材料中的图S5产乙酸群落的逐渐抑制通过以氢气形式逸出细胞的电子份额的增加得到证实（图4），当产乙酸以最高速率发生时，仅在低浓度下检测到尽管如此，直到第33天才产生乙酸盐，尽管阴极电解液中的pH低至4.3且乙酸盐浓度为5.5（± 0.8）g L-1本研究中获得的每个电极表面的乙酸盐生产率与先前在三室电池中使用GDE的研究中获得的乙酸盐生产率相当[23]。利用类似的设置，Srikanth等人[13]获得的峰值羧酸生产速率为23 g m-2 d-1（包括甲酸盐、乙酸盐和丁酸盐），以及醇（甲醇、乙醇和丁醇）生产率高达11.7 g m-2 d-1。相反，在本研究中，乙酸盐是唯一的产物（基于碳>99%），这可以归因于微生物的不同来源（适应盐度的厌氧污泥与腐蚀的金属片）。通过修饰GDE表面，例如，通过掺杂导电聚合物[36]或碳纳米管[37]来维持更高的电流密度。本研究中获得的平均CE高于使用GDE的类似研究[13，23]，证实添加5 g L-1NaCl对产乙酸菌群没有负面影响。接近100%的更高CE可以通过促进致密阴极生物膜的形成来实现[8，38]。在初始NaCl浓度为10 g L-1的细胞中，施加4倍更高的电流仅导致乙酸盐生产速率提高4.2倍，平均为23.4 g m-2 d-1（0.37 g L-1 d-1），而没有任何显着的CE增加（图1）。 4）。此外，尽管阴极电解液的pH为6.2 e 6.5，但在增加电流密度后4天，生产速率下降（图1）。 3）在电合成微生物组中产乙酸的最佳范围内[39]，导致未使用的氢的量增加（图4）。这可能是由于阴极电解液中的高Na+浓度，在实验开始时高于5 g L-1，在电流增加后增加到约6 g L-1（图3），导致H型细胞实验中发生的抑制（图4）。 2）的情况。 这种浓度的增加是由于Na+离子从阳极电解液向阴极电解液的迁移，正如电流增加后阳极电解液中Na+浓度的急剧下降所表明的那样（图2）。3）。阴极电解液中游离氯浓度较低（2.3±1.3mg L-1），不可能引起抑制作用。三室细胞配置的特点是图三. aeb，在初始NaCl浓度为5 g L-1的条件下运行的三室MES电池的乙酸盐产量（主y轴）、电池电压和pH曲线（次y轴）（a）和10 g L-1（b）。ced，在不同操作日的阴极电解液（c）和阳极电解液（d）中的Na+浓度P. 德塞角 Buenan~o-Vargas，S. 马丁内斯-索萨等人环境科学与生态技术16（2023）1002617-见图4。aeb，在初始NaCl浓度为5 g L-1（a）和10 g L-1（b）的三室MES电池中随时间推移的电荷分布。c.箱形图，表示不同操作条件下几个性能参数的稳态平均值（点）、中位数（线）、第一和第三四分位数（框）以及最小/最大值（须）。比H型电池更有效的设计，具有更高的阴极面积/体积比（0.032对0.008 m2L-1）和更小的阳极和阴极电极之间的距离（约5 cm）。这导致相对于H型电池的较低欧姆电阻（在NaCl浓度为5和10 g L-1时分别为139.5 ± 0.0和82.6 ± 8.3 m U m2）（图11）。 补充材料中的S3）。据报道，蒸汽进料的零间隙产甲烷MES的欧姆电阻仅为2.4mU m 2 [40]。这种有效的设计可以节省大量的能源，但需要使用更大的电极和更长的操作时间进行进一步的实验，以确认其扩大规模的潜力。在0.25mA cm-2的电流密度下，含5和10 g L-1 NaCl的电池稳定在相对恒定的电池电压，2.94分别为±0.06和2.80±0.09 V（图3），两种情况下的阴极电位约为0.9 V（相对于Ag/AgCl）（补充材料中的图S6）。尽管功耗高出5%，但由于CE更高，初始浓度为5 g L-1NaCl的电池的平均比产量（44.7 kgMWh-1）高于初始浓度为10 g L-1 NaCl的电池（32.7 kg MWh-1）（图4）。当电流增加到1 mA cm-2时，这种差异更加明显，尽管平均槽电压更高（4.34± 0.19 V对4.08± 0.22 V），但在5g L-1NaCl（48.0 kgMWh-1）条件下的电池生产率明显高于10 g L-13.3.MES电池堆作为概念证明，具有活性产乙酸微生物的工作MES液压串联连接到两个额外的电池以模拟三个电池的堆叠，尽管保持独立的气体和电力线。电池堆是扩大电化学系统规模的最有效方法，因为效率随着电池尺寸的增加而增加[41]。产酸速率为7.8± 0.6g·m-2·d-1，0.25 mA cm-2，CE为46.6± 3.6%（图5）。这样的生产率类似于在单电池中获得的生产率（图4），但是，归一化到三个电极的表面，表明乙酸盐生产高三倍。获得的乙酸盐比产量为46.3 kg MWh-1。这一结果证实，通过在单个电池中富集自养群落，然后将阴极电解液循环到其他模块，可以轻松快速地启动MES电池组，而无需单独启动每个电池。在将三个电池的电流输入增加到1 mA cm-2后，生产率增加到最大值1.5%。33.0g m-2d-1（图 5）。这样的生产率比用单细胞获得的最高生产率低40 % （图1）。 4），表明在1 mA cm-2 的外加电流下，群落不能消耗由三个电极产生的氢。此外，第13天乙酸盐生产率下降，可能是由于阴极电解液的快速酸化，这可以通过在线产品提取来抵消[42]。3.4.微生物群落分析SEM图像显示在H型电池的碳布阴极上存在分散的电池，而在GDE表面上观察到更致密但不均匀的生物膜（图11）。第七条补充材料）。由于H2的溶解度随着盐浓度的增加而降低，因此开发一种能够捕获阴极产生的H2的生物膜对于在盐条件下运行的系统至关重要。在H型和GDE细胞中，鉴定的微生物主要是杆状的。 乙酸杆菌是H型细胞中的关键产乙酸微生物，初始NaCl浓度为5或10 g L-1，两种情况下的平均相对丰度约为25%（图6），这证明了在两种条件下获得的乙酸盐生产速率相似（图2）。β多样性分析（图S8，在Supple-1材料中）证实，相似的群落富集在5和10 g L-1NaCl初始浓度下，而20 g L-1 NaCl选择的群落单独聚类。特别是当初始NaCl浓度为20 g L-1时，乙酸杆菌的数量下降到9±3%，导致乙酸产量下降，尽管厌氧乙酸杆菌的相对丰度增加，一种先前从盐水环境中分离的产乙酸细菌[43]，其丰度在一个复制细胞中超过15%。醋酸杆菌的相对丰度。在三腔室细胞中显著更高，在那里它占主导地位（在5和10 g L-1NaCl初始浓度下分别为76.3 ± 19.4%和70.8 ±10.0%），导致实现相对高的CE（图11）。 4）。醋杆菌已被广泛地指示为产乙酸MES细胞的核心微生物群系中的关键物种之一，并且负责通过伍德-永达尔途径从CO2和（生物）电化学产生的H2产生乙酸盐[44]。据报道，它在高达60 g L-1盐度下运行的MES电池的阴极群落中占主导地位[21]，证明了对嗜盐条件的适应性。产氢脱硫弧菌，在H型和三室细胞中检测到醋酸杆菌的互养配偶体，相对丰度在1% 和 3% 之 间 ， 以 及 MES 核 心 微 生 物 组 的 其 他 成 员（Christensenellaceae、Lentimicrobiaceae和Synergistaceae）[4]。这表明P. 德塞角 Buenan~o-Vargas，S. 马丁内斯-索萨等人环境科学与生态技术16（2023）1002618--图五. a，在初始NaCl浓度为0.00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000005g L-1b，电池堆随时间的生产率、库仑效率和比产量。图六、 分类柱描述了在不同NaCl浓度（5、10或20 g L-1）下开始的H型（HT）和三室（GDE）电池中的阴极群落组成。A和B是指每个