环境科学与生态技术：生物电化学在环境问题解决中的关键性和挑战

环境科学与生态技术1（2020）100011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-ecotechnology/透视生物电化学在生物过程控制中的应用安妮米克·特尔海涅环境技术，瓦赫宁根大学研究所，Bornse Weilanden 9，6708 WG，瓦赫宁根，荷兰社会意识和对地球未来的担忧正在迅速增加。谁不想为一个可持续的未来作出贡献，在这个未来中，地球的资源仍将为子孙后代所我认为，一个可持续的世界是一个我们与自然密切合作的世界。在自然界中，微生物是全球碳、氮和磷循环的关键参与者。因此，这些自然过程是可持续解决环境问题的关键，如从废物流中回收资源，可持续能源生产和污染降解这些生物转化的主要挑战是将其设计成所需的速率和效率，以获得可持续和有效的技术。目前，生物技术方法广泛应用于废水和气体处理，以去除和回收有机物质、氮、磷酸盐和硫。 所有这些生物转化由还原和氧化反应的组合组成。氧化还原电位（ORP）的测量反映了溶液中电子供体和受体的可用性，其被用作操纵这些生物过程的选择性和稳定性每个过程都有自己的ORP范围，在该范围内转化最有效（表1）[1]。电子给体和受体的供给是控制重做X电位的常用策略。例如，为了从废水中去除有机碳，控制空气的供应以保持所需的ORP。然而，仅基于ORP测量，精确控制生物转化具有挑战性，特别是当需要特定性能时。原因是ORP是反映环境中所有氧化和还原组分存在的集总参数因此，基于ORP的控制并不总是导致生物转化的高选择性。此外，可以用ORP调整重做x条件的潜在范围是有限的。为了克服电子供体和/或受体通常限制生物转化的挑战，电极可以用作电子的附加源或接收器。 电极可用于增加生物转化的操作范围，因为电极电位可在任何氧化或还原条件下精确控制。许多不同的细菌可以与电极[2-这些电活性细菌通常生活在附着在电极上的生物膜电极和细菌之间的这种相互作用形成了微生物电化学技术（MET）的基础[5，6]。在21世纪初，微生物燃料电池（MFC）的第一个原理被证明[7]。 在接下来的十年中，MET作为一种将化学能转换为电能或反之亦然的新的可持续技术获得了广泛关注。潜在的应用是从废水中重新加工能量和营养物，以及将电力转化为燃料和化学品[6]。例如，发现细菌可以从阴极吸收电子（或以氢的形式还原当量）[8]，从而将CO2还原为甲烷[9，10]，乙酸盐[11]和中链脂肪酸[12，13]等产物这一发现为利用微生物将电力和二氧化碳转化为附加值组件在未来的几十年中，从控制和可持续性的角度来看，将出现许多基于微生物和阴极之间的电子交换的电极将在未来的社会中发挥更主导作用的一个重要原因是快速发展的能源转型。 随着我们在能源混合中越来越依赖可再生电力，能够以有效方式将电能转换为化学能的过程将变得更加重要。当今许多电化学方法的挫折在于它们不是真正可持续的，因为它们需要稀缺且昂贵的催化剂，并且它们不在环境条件下发生。 这就是电活性微生物的用武之地-它们是潜在的更可持续的替代品。那么，2050年的生物过程和电化学会是什么需要什么才能到达那里？到2050年，许多生物过程，例如有机物和营养物的去除，将不再依赖于曝气。 电极将取代氧作为电子受体。生物脱硫是那些可以用电极代替曝气的过程之一：我们最近已经证明，好氧硫化物氧化细菌可以在厌氧条件下从溶液中去除硫化物，并且可以将电子穿梭到电极上，电子邮件地址：Annemiek. wur.nl。https://doi.org/10.1016/j.ese.2020.100011接收日期：2019年12月12日;接收日期：2020年1月6日;接受日期：2020年2666-4984/©2020作者。由Elsevier Ltd.发布。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。A. ter Heijne环境科学与生态技术1（2020）100011表1不同生物过程通常发生的ORP范围概述。生化活性ORP范围（mV）为更可持续的世界做出贡献确认好氧碳氧化50至200英镑我要感谢Tom Sleutels，Jan Klok，Bert Hamelers和Cees硝化150至1350脱硝-50至50酸化-200至-40硫酸盐还原-250至-50产甲烷-400至-200电化学电池[14]。因此，到2050年，这些装置中的许多将使用电极而不是氧气，不仅从硫化物中生产元素硫，而且还从该过程中回收能量，而不是需要能量进行曝气。因此，许多其他使用曝气的“传统”生物过程可以被（生物）电化学过程取代，其优点是创造更节能的转换过程。除了用电极代替氧的电子受体外，还将开发其他使用电极作为可变电子供体控制的生物过程使用MET作为监测和控制生物转化的传感器是另一个有前景的应用[15]。使用电极促进生物转化的关键挑战之一是电子效率。重要的是，来自电子供体的大部分电子最终进入所需的产物（高选择性），以使电极成为可持续的替代电子供体或受体。这些从电子供体到受体的电子效率目前变化很大。 对于生物阳极，与复杂的有机基质相比，乙酸盐作为电子供体的电子效率通常高得多[16]。对于生物阴极，特别是当甲烷是最终产物时，电子效率范围为20至100% [17]。当电子平衡加起来不等于100%时，部分电子会丢失到不需要的产物氢、氧气、甲烷或微生物产生的中间产物（如甲酸盐）中，从而降低转化的整体效率。除电子效率外，电压效率也是MET的关键性能参数[18]。电压效率受阳极和阴极处发生的过电位的 关于这种过电位，电极电位和生物活性之间的相互作用目前还没有得到很好的理解，并且关于电活性生物膜作为这些电极电位的函数的生长动力学的信息很少。 详细了解电极电位对电活性生物膜活性的影响对于生物转化中电极的集成至关重要。能够使用电极作为生物过程的灵活控制策略在许多生物转化中，氢是一种中间体，成分或副产品。 尽管某些生物转化（如酸化）需要非常低的氢分压，但其他生物转化（如氢营养甲烷生成）依赖于氢作为能源[19]。种间氢传递和种间直接电子传递是影响生物过程速率和选择性的关键过程。电极可用于在阳极处从微生物中吸收氢（或电子），以在阴极处向微生物提供额外的氢（或电子），但也可用作导电材料以促进直接的物种间电子传输，而无需外部电路[20]。总之，电极提供了许多令人兴奋的机会，一个新的，灵活的方式来控制生物转化。许多科学和工程挑战仍然存在。反应和应用的高度通用性是MET成功的关键：需要确定MET确实是传统（生物）工艺的更可持续和更经济的替代品我很高兴能通过研究、扩大规模和试点测试在MET领域做出进一步贡献，Buisman感谢关于MET的许多讨论和他们的宝贵意见。这项工作是Vidi研究计划的一部分，项目编号为17516，由荷兰研究委员会（NWO）资助引用[1] T.斯卢特尔斯Molenaar，A.海涅角Buisman，Low substrate loading limitsmethanogenesis and leads to high Coulombic efficiency in bioelectrochemicalsystems，Microorganisms 4（1）（2016）7，https://doi.org/10.3390/microorganisms4010007。[2] F. 克拉克岛Vassilev，J.O. 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