高盐条件下CO2微生物电合成乙酸的研究

环境科学与生态技术13（2023）100211原创研究高盐条件下CO2微生物电合成乙酸的研究Xiaoting Zhanga，b，Tyler Arabelb，Daijun Zhangc，Shiqiang Weia，Korneel Rabaeyb，d，*西南大学资源与环境学院，重庆，400715b比利时根特大学微生物生态学与技术中心（CMET），Coupure Links 653，9000，根特c重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆，400044dCenter for Advanced Process Technology for Urban Resource Recovery（CAPTURE），Frieda Saeysstraat 1，9052，Ghent，Belgium我的天啊N F O文章历史：接收日期：2022年6月19日接收日期：2022年2022年10月25日接受保留字：碳捕获和利用碳酸盐沉淀海洋细菌A B S T R A C T微生物电合成（MES）是以电为动力，从CO2中生产多碳化合物的一种新技术.虽然高盐度可以提高生物电化学系统的能量性能，但对高盐度下的产乙酸过程知之甚少在这里我在35 e60 gL-1盐度下进行评价。在35 g L-1盐度（海水组成）下，两室MES系统的乙酸产量在60 d内逐渐下降，阴极电位均为-1.2VAg/AgCl）和-1.56Am-2还原电流。阴极上的碳酸盐沉淀（主要是CaCO3）可能通过抑制CO2供应、产乙酸菌与电极的直接接触和H2的产生而降低了产乙酸菌的产量在三室反应器中，当降低Ca2+和Mg2+水平时，乙酸盐稳定地产生超过137天，同时阴极表观电阻为1.9± 0.6 mU m2，平均产率为3.80± 0.21 g m- 2d-1。当盐度从35 g L-1逐步增加到60 g L-1时，乙酸的产生效率最高，平均乙酸产生速率和CO2消耗速率分别为4.56± 3.09和7.02± 4.75 g m- 2d-1VFA的瞬时库仑效率平均为55.1± 31.4%。乙酸盐产量在较高盐度下下降，可能是由于抑制CO2溶出和产乙酸代谢。在35 g L-1浓度下，乙酸杆菌作为主要产乙酸菌富集在催化剂上，富集率可达78%.在高盐筛选条件下，96.5%的醋酸杆菌和34.0%的Sphaerochaeta在阴极上占优势。这项研究提供了第一个概念证明，即从减少二氧化碳开始的MES可以在高盐度下实现。©2022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. 介绍通过碳捕集和利用（CCU）可以将CO2转化为商品化学品和燃料，同时还有助于降低大气CO2水平，并提供石油产品的替代品[1]。微生物电合成（MES）是一种CCU途径，其中微生物直接或间接使用电流从CO2中产生有机物，如乙酸盐[2e5]。这一过程可能有助于实现可持续发展的社会，通过减少二氧化碳[5，6]，将可再生能源储存为共价化学键。利用全微生物作为生物催化剂，能够自我生成并产生长链的MES*通讯作者。比利时根特大学微生物生态与技术研究中心电子邮件 地址：Korneel. UGent.be（K. Rabaey）。与使用非生物CO2还原催化剂的系统[5，7，8]相比，有机化学品还显示出更低的过电位、更长的操作稳定性和更温和的操作条件[9，10乙酸盐是MES产生的最常见的生物产品，尽管价值低且难以与水分离，但该化合物可作为通过链延长合成许多具有较高经济价值的多碳挥发性脂肪酸（VFA）化合物（如己酸盐）的前体[9]。即便如此，可从MES获得的乙酸盐生产速率和能量转化效率对于经济上可行的应用来说仍然太低[4，10]。产乙酸菌仍然是MES的关键微生物，使用不同的CO2还原途径，如Wood-Ljungdahl途径[11，12]。据报道，这些物种直接（通过电子吸收）[3]或间接（通过H2蒸发）使用阴极将CO2还原为有机物[10，13]。但后一种方法是https://doi.org/10.1016/j.ese.2022.1002112666-4984/©2022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.comX. Zhang，T. Arabian，D. Zhang等人环境科学与生态技术13（2023）1002112--由于目前潜在利率较高，因此越来越多地应用[4，14]。因此，MES的低乙酸盐生产率与生物电化学系统（BES）中用于H2生产的低电流密度相关该密度可高达约20 mA cm-2，但通常远低于该密度。低的主要原因电流是由低离子微生物相容性电解质的电导率和电极的次优间距或膜与微生物之间的非理想几何形状[4，15]。因此，似乎还不可能将相对高的电流密度（即，较高的生产率）和相对较低的电池电压（即，可接受的能量转换效率）[4]。因此，降低BES中的高欧姆电阻对于提高MES性能至关重要，特别是对于具有高电流密度或放大结构的系统，这是由于MES的发展趋势[4，6，8]。一种可能的解决方案是使用高盐度电解质，因为这些电解质降低了欧姆电阻，从而降低了驱动一定电流密度所需的施加电压，或者可以增加在一定电压下产生的电流[16]，这将有助于提高MES中的能量转换效率或生产率。尽管已经报道了一些具有高耐盐性的产乙酸菌[17，18]，但是在盐水条件下MES背景下的知识非常有限。先前的研究评估了使用盐水池沉积物作为接种物和海水-盐水界面溶液作为MES系统中的电解质，以在1.0 V（相对于Ag/AgCl）下操作的生物阴极处富集嗜盐同型产乙酸菌。然而，该系统在25%和10%的盐度水平下显示出有限的VFA生产能力，同时还原电流逐渐降低[19]。观察到阴极上的金属沉淀，但尚未揭示该沉淀对盐水MES中VFA产生的影响[19]。随后在3.5%的盐度水平下使用前阴极作为接种物观察到略高的滴度。在所有的盐度水平下，海洋细菌属和厚壁菌门都是优势菌，但没有观察到明显的产乙酸菌。假设海水在该系统中消耗固定的碳，因此与低VFA产量有关[ 19]。另一项研究进一步检查了MES在3.5%盐度下的性能，使用盐沼和红树林沉积物作为接种物，并在相同阴极电位下使用合成红色海水作为阴极电解液[20]。该工作采用碳布包裹的多孔陶瓷空心管作为阴极，具有110 cm2的大投影面积，用于直接输送CO2并最小化CO2传质限制。随后发现了更高的滴度但产率仍然很低，10天后乙酸产率为1.69 g m- 2d-1，甲烷产率为0.55 g m- 2d-1操作，而还原电流也随着时间的推移而下降[20]。在这些试验期间，属于厚壁菌门的醋酸杆菌表现出不稳定的富集，这可能与低乙酸盐生产率有关[20]。上述研究中的阴极均稳定在1.0 V，Ag/AgCl。值得注意的是，由于阴极氢气产生，阴极附近的pH将增加，并且这可能导致由阴极产生的结垢形成Ca2+和Mg2+普遍存在于海水和其他盐水中。这将如何影响电化学活性和氢在该潜力下的生产性能尚未研究，并且尚不清楚高盐度是否实际上会改善MES。虽然在之前的研究中已经分析了高盐度下阴极室中关于CO2还原的微生物群落[19，20]，但在高盐度下有效促进乙酸盐生产的群落也尚未定义。目前的工作研究了在盐水条件下的乙酸盐生产，同时评估结垢对MES的影响和机制。反应器在盐度为35 g L-1（海水盐度）的条件下稳定运行了137 d，之后逐渐增加盐度至60 g L-1，以研究MES在高盐度下的性能。微生物群落组成及其贡献基于16S rRNA基因和定量聚合酶链反应（qPCR）分析，分析了生理盐水MES系统中乙酸产生的影响。2. 材料和方法2.1. MES设置和合成盐水采用两室MES反应器研究了在35 g L-1（海水盐度）下Ca2+和Mg2+离子对VFA产量的影响，该反应器包括具有不同尺寸的小型（S-MES）和大型（B-MES）MES系统该系统的概述和简要说明如图所示。S1. 阳极室和阴极室通过阳离子交换膜（CEM）分离。在这两个系统中，导管是投影表面积为25和64 cm2的碳毡。两个系统中阴极电解液和阳极电解液的总体积分别为250和700 mL。使用泵以10.5 mL min-1的速率循环电解质。一第二套三室大型MES反应器用于研究盐度对VFA生产的影响，同时避免阳极析氯和结垢离子的影响。该装置与B-MES反应器相同，除了在阳极室和阴极室之间添加额外的128 mL中间室和用于分隔三个室的额外CEM。盐度在一个三室MES系统（3C-Bc-MES）中，稳定在35 g L-1，但从35逐步增加到60 g L-1在另一个（3Ce Bi-MES）中。阴极电解液和中间室电解液的体积均为400 mL（图S1）。表1总结了应用于不同MES系统的操作条件。使用含盐同型产乙酸菌培养基作为阴极电解液，大西洋海水的离子组成[21]和以前MES研究中使用的介质[22]。含盐量为35 g L-1的阴极电解液含有以下组分（L-1）：25.00 g NaCl，2.50 gNaHCO3、11.00 gMgCl2·6H2O、1.55 gCaCl2·2H2O、0.50 g KCl、0.25 g NH4 Cl、0.20 g KH2 PO4、0.89 g NaBr、2.5 mL矿物质混合物[22]、2.5 mL维生素混合物[22]和1.0 mL钨酸盐-硒溶液[3]。阴极电解液pH为7.6± 0.2。这种阴极电解液用于S-和B-MES系统的前三个循环，以研究Ca2 H2和Mg2 H2对VFA生产的影响如属3C ─Bc-和3Ce Bi-MES系统，以及B-MES的第四周期当MgCl2· 6H2 O和CaCl2· 2H2 O浓度分别降至1.28和0.20gL-1时，阴极液的硬度降低总盐度的降低可通过加入NaCl来补偿在3Ce Bi-MES系统中使用的阴极电解液具有基于NaCl浓度的35、40、45、50或60g L-1的盐度水平浓度分别为30.57、35.57、40.57、45.57或55.57 g L-1的在S-和B-MES系统中使用的阳极电解液最初由0.26 在3C-Bc-MES系统中，用35 gL-1 Na 2SO4溶液（pH2.5）代替磷酸盐缓冲液（pH7.0），在3C-Bc-MES系统中，用35 gL-1 Na2SO 4溶液代替磷酸盐缓冲液（在3CeBi-MES系统中，也使用Na2SO4溶液作为阳极电解液，但浓度为35、40、45、50或60 gL-1，以使盐度水平与阴极电解液相同。通过使用pH控制器将阴极电解液的pH保持在约8.5。2.2.接种和操作来自大西洋北海沉积物的盐同型产乙酸菌的富集被用作S-MES的接种物，光密度（OD600）为0.215，接种体积为阴极电解液的10%v/v接种物在加入MES之前，使用补充材料第S-1节中描述的方法进行驯化相同体积比的阴极流出物，X. Zhang，T. Arabian，D. Zhang等人环境科学与生态技术13（2023）1002113ð--阿勒特2----不表1不同MES系统采用的操作条件。B-MES第一和第三高Ca2 O3：0.42，Mg2 O3：1.30 35.0- 10mAB-MES第四低钙2 mA：0.05，镁2 mA：0.15 35.0-10mA3C-Bc-MES第一个a高Ca2 O3：0.42，Mg2 O3：1.30 35.0- 10mA3C-Bc-MES第一次和第三次低钙2 V：0.05，镁2 V：0.15 35.0- 10mA3Ce Bi-MES第一低钙2 mA：0.05，镁2 mA：0.15 35.0，40.0，45.0- 10mA3Ce Bi-MES第二低Ca2 mA：0.05，Mg2 mA：0.15 45.0，50.0，60.0- 10mAa未接种。产生乙酸盐的MES系统也用作后续反应器的接种物（例如，使用S-MES的阴极电解液作为B-MES的接种物）。反应器按照S-MES、B-MES、3C-Bc-MES和3Ce B i-MES的顺序构建S-MES系统在阴极保持在-1.2V的情况下操作CE VFA¼nv;t×fe;v ×F×100（1）IDTt¼0与Ag/AgCl相比，而B-MES、3C-BC-MES和3Ce Bi-MES系统在恒电流控制下以10 mA的恒定还原电流（等于1.56 A m-2的电流密度;参见第S-1节）操作。为了维持这些反应器中的厌氧条件，阴极室也被混合的CEH21/4H2×2F×100（2）IDTt¼0使用气体流量计（OMA-1，Dwyer，UK）[21]，以29.7±7.8 L d-1的流速测量N2：CO2（90：10）气体。这种气体也作为一种缓冲剂和一个恒定的来源，除了钠二-RCO1/4 1：05 ×乙酸盐生产速率。单位：g m-2 d-1m×2÷ 60× 44（三）阴极电解液中的碳酸盐。阴极室流出的气体穿过阳极室，将阳极产生的O2剥离。这些实验在环境温度下以分批模式进行，循环的开始和结束时间取决于循环期间乙酸盐产量的变化（见第S-1节）。在每个循环结束时，更新S-MES系统中的所有阴极电解液，但仅更换B-MES、3C-Bc-MES和3C eB i-MES系统中90%的阴极电解液。剩余的10%保留在反应器中，作为后续操作的接种物。通过向阴极液上清液中加入NaCl，提高了3CeBi-MES系统的盐度通过以6000rpm离心阴极电解液20分钟以分离生物质来获得该上清液。在此之后，将分离的生物质和溶解的NaCl添加回阴极室中以减少对现有微生物群落的任何影响。2.3.计算和分析在实验过程中，采集液体样品并过滤（0.22m m截止），以通过离子色谱法（IC）监测VFA、Cl-、Ca 2+和Mg 2+浓度。使用未过滤样品测定pH值。使用紧凑型气相色谱仪（GC）分析来自每个反应器的流出物气体表面电-通过扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线光谱（EDX）检测器分析用过的和干净的阴极的部分。使用X射线衍射仪（XRD）分析了结晶物组成。这些分析的详细信息见第S-1节。在恒定的N2：CO2吹扫条件下，以1 mV s-1初始扫描范围为0.2至1.0 V（所有值与Ag/AgCl），但基于不同反应器中阴极电势的变化将其调节至0.4至1.4V。电流密度计算为每投影阴极表面积的电流流过量[6]。根据先前的工作[ 20，22 e 24 ]计算阴极累积VFA和H2产量的库仑效率（CE，%）和CO2消耗率RCO2，如下所示。这里，nv;t和nH2是在时间t产生的VFA和H2的摩尔数，fe;v是产生的VFA的摩尔转换因子（甲酸盐为2，乙酸盐为8，丙酸盐为14，丁酸盐和异丁酸盐为20），I是电流（A），F是法拉第常数（96，485 C mol-1）。根据一个循环内两个连续测量点之间的不同VFA浓度计算乙酸盐生产速率和瞬时CE（见第 S-1节）。2.4.微生物群落组成在使用B-MES、3C-Bc-MES和3Ce Bi-MES系统的试验完成后，去除阴极以用于微生物群落分析（命名作为Be C，3C-Bc-C，和3Ce Bie C）。在B-MES系统试验（Be P）结束时以及第一、第二和第三次试验结束时获得的35 g L-1循环的3C-B c-MES系统（3C-Bc-P-1、3C-Bc-P-2和3C-Bc-P- 3样品）也进行微生物群落分析。此外，还评估了来自盐度水平为45、50和60 g L-1的3Ce Bi-MES系统的阴极电解液（3Ce Bie P-45 g、3CeBie P-50 g和3Ce Bie P-60 g样品）微生物群落是使用16 S rRNA基因的V3eV4区域测定细菌的绝对丰度，而通过qPCR估计来自3CeBi-MES系统DNA提取、V3和V4区域扩增、Illumina 16 SrRNA基因扩增子构建和16 S rDNA qPCR的详细信息见补充材料第S-1节。这些样品的原始测序数据已保存在NCBI Sequence Read Archive（登录号：SRP395816）。3. 结果和讨论3.1. 在恒电位条件使用模拟海水作为阴极电解液，在阴极电位为1.2 V的S-MES系统中生产乙酸盐，但不稳定（图1），这也发生在以前的研究中[20，25]。在该系统中，在三个连续的循环中产生乙酸盐以及少量的甲酸盐和丙酸盐然而，高峰MES系统涉及的周期阴极液硬度阴极液中Ca2+和Mg2+（g L-1）阴极电解液盐度（g L-1）阴极条件S-MES第一次e第三次高Ca2+：0.42，Mg2+：1.3035.0-1.2VX. Zhang，T. Arabian，D. Zhang等人环境科学与生态技术13（2023）1002114-----图1. 使用模拟海水作为阴极电解液，阴极相对于Ag/AgCl保持在-1.2V的S-MES的乙酸盐生产性能。a，VFA产生;b，阴极的计时电流图;c，累积VFA产生的库仑效率;d，阴极CV扫描结果。乙酸盐浓度在每个循环中逐渐降低，分别达到1，407，969和400mg L-1（图11）。 1 a）。最大生产速率（Rmax）也从20.15下降到9.27，5.44 g·m-2·d-1，平均产乙酸速率（Ravg）由9.28± 6.34下降到3.85±4.09，再下降到3.85 ± 4.09。0.99±2.78 g m-2 d-1。在这些循环期间观察到1.2 V下的还原电流降低（图1b）。每个周期中累积VFA的CE也从49.1± 0.1%降至22.6± 0.1%（图 1c和图 S2c），表明能量转换效率降低。此外，虽然在接种前检测到H2，但还原电流的逐渐减小和相对较高的吹扫速率导致微生物消耗后每个循环结束时残留H2的量最小。但残留H2中的电子也可能是导致低CE的原因之一.还原电流密度的降低是也已确认通过CV表征(with 7.66、7.0和1.43 A m-2（1.2 V时），循环1、2和3中，分别见图。1 d）。CV结果表明，阴极的电化学活性为H2生产。在这些实验期间，观察到在S-MES系统阴极上形成白色涂层。SEM-EDX分析显示，这些沉淀物主要含有Ca以及少量的Mg和P（图1）。 2）。XRD分析进一步表明，白色沉淀物主要包含CaCO3（JCPDS No.84e 0049）（图2c）。这些结果与在用1.00 M HCl溶解这些沉淀物期间产生大量气泡一致（图1）。 S3）和较高的质量比的Ca 2 +/Mg 2+在所得解（1.50）与原始模拟解相比海水（0.32）。由于使用了盐水阴极电解液（JCPDS No.78e0751），在该沉淀物中也发现了NaCl。这些绝缘碳酸盐沉淀物可能阻碍了水（作为氢氧根离子源）和微生物之间的直接接触，阴极表面，从而抑制H2的产生。阴极和产乙酸菌之间的直接接触对于乙酸盐生产也可能是重要的，因为已经报道了微生物在阴极表面添加催化剂以通过产生中间体促进CO2还原[15]。3.2.-10 mA还原电流下乙酸盐产量不稳定为消除产氢不足对醋酸生产的影响，在B-MES系统中，以模拟海水为阴极电解液，在1.56Amm-2的还原电流密度下，以恒定的产氢量进行醋酸生产的研究在该试验中，乙酸盐再次是主要产物，以及少量的丙-nate和butyrate（图） 3 a）。 在前两个循环中也检测到甲酸盐，可能是因为第1个循环后半部分的阴极电解液pH值较高（8.43 e 8.85）（图11）。 3 a）[13]。值得注意的是，乙酸盐产量再次不稳定，乙酸盐峰值浓度从第1周期的1287 mg L-1降至783 mg L-1在第3周期（图）中， 3 a）。Rmax也从第1周期的8.52下降到第2周期的8.52。第3周期3.06g m-2d-1（图1和2）。 S4a e c）和Ravg从2.99± 2.73 ~ 0.30± 3.92 g m-2 d-1。累积的平均CEVFA产量在第1周期稳定在19.2 ± 1.5%，但在第3周期急剧下降至4.5%（图3）。 S4g），同时系统电压从2.58 V逐渐增加到约2.66 V（图S4e）。在这些循环结束时，H2的CE在16.0和 22.0%之间。观察到VFA产生的较高瞬时CE与第1周期期间的高乙酸盐产生速率结合，例如第19天为61.5%，第23天为86.0%（图S4g）。这些数据表明，在循环1开始时的少量微生物可能有助于VFA生成的低CE。但是，在第2和第3个周期期间，CE仍然很低，甚至在第3个周期的后半部分变为负值（图1）。 S4h），这表明X. Zhang，T. Arabian，D. Zhang等人环境科学与生态技术13（2023）1002115--图2. aeb，在电极表面上具有沉淀的实验之后的S-MES阴极（a）和实验之前的新阴极（b）的SEM-EDX显微照片。c.白色沉淀与纯CaCO3、NaCl的XRD图谱。CO2还原生成VFAs受到抑制，部分VFAs可能转化为其他化合物或被微生物消耗[19]。每个循环结束时的pH稳定在约8.5，并且白色沉淀物再次沉积在阴极表面上（图1A）。 S3c）。由于恒定的还原电流使H2产率保持恒定，碳酸盐沉淀可能会降低CO2供应和H2利用率，导致与VFA产生相关的CE降低。为了解决结垢问题，如第2.1节所述降低循环4中使用的阴极电解液的硬度，随后实现稳定的乙酸盐生产阴极电解液pH保持在约8.5，但乙酸盐浓度在剩余的60天内持续增加，达到5193 mg L-1的值（图12）。 3a）以及3.51 ± 1.69 gm-2d-1的R平均值。的累积VFA产量的平均CE也增加到25.1±4.4%，循环结束时的瞬时CE显著更高，为58.3%，残留H2的CE较低，为5.3%（图S4g）。这些结果与观察到的电池电压降低至2.55 V一致（图11）。 S4e）和回收率阴极电位从-1.42 V到-1.34 V（图S4 f）。在-1.34 V时，还原电流明显增大，表明一个更从阴极表面快速去除H2，微生物（图3b）[22]。阴极附近的碱性pH值产生阴极氢可能有利于碳酸盐的形成，从而产生主要的CaCO3。因此，碳酸盐沉淀进一步降低了CO2的利用率，也抑制了H2的产生和产气菌对H2的利用。碳酸钙沉淀物的形成可能是这些MES系统在盐水条件下不稳定的乙酸盐生产的主要原因。3.3.长期稳定的醋酸盐生产，三腔BES构建3C-B c-MES系统以进一步研究在盐水条件下稳定的乙酸盐生产，同时避免在阳极处氯化物氧化的常见现象[20]。在该体系中，阳极电解液为低pH值的Na2SO4溶液，以提高阴极电解液的质子供应。但在不孕育的情况下，以合成海水为阴极、Na2SO4溶液为阳极的试验中，阴极表面又形成了致密的白色沉淀，明显抑制了阴极的电化学活性。 S5）。因此，如第2.1节所述，用硬度较低的合成海水代替阴极电解液。使用该系统在生产过程中获得了稳定的乙酸盐生产。在137天内进行三个批次循环（图4）。在一个周期内，乙酸累积浓度高达3440 mgL-1，在3个周期内，Rmax为8.99± 1.30gm-2d-1，Ravg为3.80± 0.21gm- 2d-1一摩尔乙酸盐的产量相当于2摩尔二氧化碳，据报道，由CO2和H2产生乙酸盐的化能无机自养微生物的生物量占碳排放量的5%[ 23，24]。因此，最大CO2消耗率为13.84± 2.01 g m- 2d-1，平均5.94± 0.30 g m- 2d-1。这三个期间累积VFA产量的平均CE循环为36.0± 3.0%（图4c），基本上完全为醋酸盐（34.4± 3.2%）。在每个循环的后半部分，VFA生成的瞬时CE也较高，循环1、2和3的平均值分别为42.2±19.8%、45.7± 23.3%和40.1± 16.9%（图） S6）。这些数据还表明，在循环开始时，少量微生物对H2的使用有限，导致累积VFA的CE相对较低在这些循环中，H2的瞬时CE在11.3e34.0%的范围内波动，可能是由于混合气体的相对高的流速没有检测到甲烷的形成，但一些电子也可能最终进入了生物质。 CV结果如图所示。 4d证实，该阴极具有更稳定和更高的电化学性能，图三. 在前三个循环中使用模拟海水作为阴极电解液，但在循环4中使用较低的Ca 2+和Mg 2+浓度，在还原电流密度为1.56 A m-2的情况下，B-MES的乙酸盐生产性能。a，VFA生产;b，阴极CV扫描结果。X. Zhang，T. Arabian，D. Zhang等人环境科学与生态技术13（2023）1002116----与B-MES系统相比，在长期运行期间的活性可能是由于阴极表面上没有沉淀。在约0.57 V（vs. Ag/ AgCl）处观察到氧化峰，但可能不起重要作用，因为实际阴极电位要低得多[22]。获得了约2.45 V的稳定的较低电压（图1）。 这些结果可以归因于该系统中的低能量损失，而不会在阴极上形成沉淀物。由于这些系统仅用10%CO2以相对高的速率吹扫，并且在低电流密度下操作，因此VFA生产速率可能会减慢。即便如此，这一比例仍远高于高于之前使用相同盐度的研究中观察到的结果（乙酸盐和甲酸盐分别为0.95和0.46 g m-2 d-1 [19]，乙酸和甲烷分别为1.69和0.55 g m-2 d-1，均分别基于投影阴极面积）[20]。明显的阻力-阴极电阻，用电流中断法[26]显示本系统的1.9±0.6 mU m2的相当低的水平（图S7），因此与循环结束时50.1± 0.8 mS cm-1 的高阴极电解液电导率一致（图S8）。这种电阻要高得多，在B-MES和S-MES系统与71.8和6.4 mU m 2，分别，可能是由于其阴极表面上的沉淀。据报道，由于微生物相容性阴极电解液的离子电导率较低（通常约为10 mS cm-1），BES显示出更高的面积比欧姆电阻，通常高于10 m U m 2 [4，26]。考虑到水的电解通常在阳极处进行，这种低的电解率是可能的。预计阴极的表观电阻将极大地影响MES的能量效率，特别是在高电流密度下[4，8]。本研究中使用的电压低于先前研究中使用的值，但与更高的电流密度相结合（表S1），进一步证实了高盐MES工艺所需的能量输入减少。此外，由于CEM对盐是可渗透的[27]，氯化物出现在该系统的阳极电解液中。但更多的氯化物在中间室中积累，因此随后防止了阳极上严重的氯化物氧化（图1）。 S9）。3.4.在-10mA下具有升高的盐度的乙酸盐生产在3C-Bc-MES系统MES性能稳定的基础上，构建了另一个三室MES系统（命名为3Ce Bi-MES），以研究乙酸生产的日益增加盐度在35 ~ 60 g L-1之间。阴极电解液电导率在各盐度下从48.7逐渐增加到48.7，78.1 mS cm-1（图S8），这与盐度设置一致。当盐度从35 g L-1逐渐增加到50 g L-1时，乙酸盐不断产生，导致该产物的显著积累（图5a）。当盐度为35、40、45和50 g L-1时，Rmax 分 别下降到8.94、8.70、5.47和4.21 g m-2d-1，而 Ravg则稳定在3.93 ± 2.01、4.56 ±3.09、3.24 ± 1.51和3.31 ± 0.71 g m-2d-1。 S10）。最大二氧化碳消耗率这些相同盐度水平是13.77,13.40,8.42，6.48平均值分别为6.05± 3.10，7.02± 4.75，4.50± 2.32和5.10±1.10gm-2d-1，[23 ， 24] 。 累 积 VFA 产 生 的 平 均 CE 分 别 为 32.2±3.0% 、 38.6±3.3%、35.6±5.4%和30.4 ± 1.1%，在每种盐度下（图） 5 c）。VFA的瞬时产酸率也高于累积产酸率，特别是在盐度为35和40 g L-1时，平均值分别为43.4± 22.5%和55.1±31.4（图S10d），这也表明在循环开始时少量微生物对H2的摄取有限。在45和50 g L-1时，VFA生产的瞬时CE基本上是随着运行结束时瞬时产氢效率从35 gL-1时的5.3%下降到50 gL-1时的2.6%，瞬时产氢效率分别降至24.7± 16.0%和32.4±7.5%。这些结果表明，在较高的盐度下，CO2还原VFAs受到抑制 当盐度进一步增加到60 g L-1时，乙酸盐的产生在前8天受到抑制，随后恢复，但平均产生速率和CE非常低（图11）。 5 C和图。 S10d），可能应归因于产乙酸菌的适应值得注意的是，系统电压也从2.45逐渐下降到2.45。2.29 V（图5b），而阴极电位从1.19当盐度从35提高到1.07 V时（图S10 e当盐度增加到40 g L-1以上时，该值保持不变。阴极的表观电阻也从35 gL-1时的1.9 mUm2逐渐降低到60 g L-1时的1.2 mUm2（图S7）。系统电压的轻微下降可能是由于在这些盐度水平下的低表观电阻。CV数据表明，随着盐度的增加，阴极活性显著提高（图1）。 5 d）。特别是在35 g L-1时，接种后的放氢电位为-0.97V，但随着接种量的增加，放氢电位逐渐升高在盐度为45 e 60 g L-1的范围内， 5 d）。据报道，CO2溶解的程度在高盐度下会降低，这反过来又会降低VFA的产量[19，20，28]。因此，最高CE出现在40 g L-1可能是由于电池电压降低，并推测在此盐度下CO2溶解度略有下降。抑制VFA在较高盐度下的生产也可能与能量保存有关，因为微生物可能由于渗透适应而产生有机相容的溶质，例如四氢嘧啶[19，29]。当盐度≥ 45 gL-1时，在CV扫描过程中出现氧化还原电对，氧化峰位于-0.71V ，还原峰位于-1.08V 。该氧化 还 原 电对的半饱和电位（EM）为-0.90V，与高盐度下的析氢电位相近然而，在这方面，该氧化还原对是不稳定的，因为随着连续的CV扫描，这些峰变得越来越弱（图1B）。 S11）。但是，在延长的极化期后峰返回，这与先前的研究一致，其中当使用微生物覆盖的石墨电极时，在延长的极化期后，与H2氧化对应的氧化峰显著增强[30]。这种现象可能与延伸电极极化诱导的酶活化过程有关[30]。因此，这一对可能与阴极电位的移动和高盐度下还原电流的显著增加由于未观察到类似的还原峰，在目前的MES系统中，在35 g L-1的盐度下，这种氧化还原对可能代表了微生物群落的独特特征在盐度水平高于35 g L-1 的 情 况下开发的nities，如下所述（第3节）。5.2）。3.5.微生物群落分析这些系统中使用的阴极的SEM图像（图 6）表明，在具有低硬度阴极电解液的3C-B c -和3C e Bi-MES的三室系统中，在阴极表面上成功地形成了生物膜。在S-和B-MES系统的阴极上也发现了微生物，但主要是在沉积在阴极表面上的厚CaCO3沉淀物的表面这些结果与这两个系统中阴极电化学活性和乙酸盐产生的抑制一致。3.5.1.结垢离子对MES微生物活性的影响厚壁菌门、变形菌门、放线菌门和拟杆菌门是B-MES系统中的优势菌门，但前两个门的相对丰度明显较高X. Zhang，T. Arabian，D. Zhang等人环境科学与生态技术13（2023）1002117见图4。3C-B c-MES在海水盐度（35 g L-1）和低Ca 2+和Mg 2+浓度下的稳定乙酸盐生产性能。a，VFA产量;b，系统电压;c，基于累积VFA产量的库仑效率;d，阴极CV扫描结果。占85%和 91%）。厚壁菌门在阴极上高度富集（75.8%），但更多的变形菌门在阴极电解液中积累（58.7%）（图1）。 S12）。这两个门在3C-Bc-MES系统中也据报道，厚壁菌门、变形菌门和放线菌门都含有许多同化CO2的微生物[11].此外，所有阴极电解液中均富集极少量的Epsi-杆菌，而螺旋体仅在3C-B c-阴极电解液中明显富集。在属的水平上，在B-MES和3C-B c-MES系统中，在阴极上积累的最丰富的产乙酸菌是典型的同型产乙酸菌醋酸杆菌[31]，相对丰度分别为67.1%和78%（图1B）。 7）。该属很可能是通过伍德-扬达尔途径将CO2还原为乙酸盐的主要碳固定剂，并且可能对这些系统中的VFA产生做出了重大贡献[15]。在阴极电解液中也发现了该属，但含量较低（在Be P中为19.8%，在3C-Bc- P中为3.8%这些结果与先前的研究一致，这些研究表明阴极和生物催化剂应该彼此靠近，以促进电子介质（如CO2还原过程中的H2）的转移[6，15]。因此，与阴极的直接接触碳酸盐沉淀可能限制了产乙酸菌与阴极之间的直接接触，也限制了CO2供应，导致阴极电化学活性减弱。在批次循环期间，3C-Bc-P阴极电解液样品中的醋酸杆菌的比例也从19.0%降低至3.8%这种降低可能归因于阴极电解液中较低的Ca2+和Mg2+水平，转，导致与电极更好的接触。因此，Meta-促进了该优势种在阴极上的扩散，降低了阴极液中的H2其它一些产乙酸菌属也在这些系统中积累，但所占比例较低，在4.4%至 8.8%之间包括Clostridiaceae_2_unclassified、Propionibacteriaceae_unclassified和Sphaerochaeta。假单胞菌是阴极液中最丰富的菌属，在B e P和3C-B c-P中分别占56.7% 和 68.4 e71.9% ， 但 在 阴 极 中 所 占 比 例 明 显 较 低 （ 11.6e13.6%）。 7）。据报道，该属在用于工业CO2还原的MES系统的阴极上和阴极电解液中高度富集（高达26%相对丰度），并且被认为促进细胞外电子转移和烃去除[31e33]。3C-Bc-P阴极液中存在7.0%的产外生芽孢杆菌属Arcobacter，这可能与产电子介质的假单胞菌的富集有关由于其氢化酶活性和发酵能力，阴极电解液中假单胞菌的显著比例也可能影响系统中的H2氧化和乙酸盐消耗[33，34]，但需要进一步 研 究 以 明 确 评 估 该 属 在 此 类 系 统 中 的 功 能 最后 ， 发 酵 菌 属Bacteroidia_unclassified在3C-B c-P中逐渐积累，在循环1、2和3结束时的相对丰度分别为7.0%、6.3%和11.2%。这些微生物的存在和活动可能有助于解释循环开始时乙酸盐的低生产率3.5.2.在高盐度下有助于有效生产VFA的微生物在 3Ce Bi-MES 系 统 中 ， 在 60 g L-1 盐 度 下 ， 只 有 厚 壁 菌（Firmicutes）（96.6%）和变形菌（Proteo- bacteria）（1.5%）在阴极上积累，这可能是由于这些细菌的高盐度耐受性和独特的能力门在高盐条件下在阴极上获取能量（图S12）。该盐度下阴极液中的优势菌门主要为变形菌门（57.0%）和螺旋体科（34.0%）。醋酸杆菌基本上是阴极上唯一的属，X. Zhang，T. Arabian，D. Zhang等人环境科学与生态技术13（2023）1002118图五. 随着盐度从35逐渐增加到60 g L-1，并结合低的Ca2+和Mg2+浓度，3CeBi-MES的乙酸生产性能。a，VFA产量;b，系统电压;c，累积VFA产量的库仑效率;d，阴极CV扫描结果。占96.5%。但在阴极液中，该属的比例较低，比初始值有所增加当盐度逐渐增加到45 g L-1时，盐度为2.3%~ 11.0%，50 g L-1时，盐度为1.1%，60 g L-1时，盐度为0.4%。这些结果可能与低CO2溶解度[35]，减少H2在阴极电解液中的浓度，以及在高盐度下可能抑制其他产乙酸菌属，包括Arcobacter、Propionibacteriaceae_unclassified和Clostridiaceaespp.，也显著下降到非常低的水平（低于2