摘要：微生物电合成系统是以微生物作为生物催化剂,利用可再生能源将二氧化碳(CO_(2))还原为有机化合物的可持续发展技术,可以帮助缓解大气温室气体并实现低碳循环生物经济和工业CO_(2)生物转化过程。本文介绍了微生物电合成系统中阴极与微生物之间的电子传递机制,包括直接电子传递和间接电子传递,其中氢气(H_(2))介导的间接电子传递为研究最多的电子传递过程。本文还介绍了微生物电合成系统中阴极电化学产氢和生物产氢过程的发生机制,阐述了H_(2)的产生和利用以及在CO_(2)的还原过程中不同微生物之间的相互依存和协作机制。本文还围绕H_(2)介导的间接电子传递过程提出促进阴极析氢反应、投加外源介质和优化反应器设计等强化措施以促进H_(2)的产生和CO_(2)的还原过程。本文为提升微生物电合成系统的电子传递效率和目标产物产率提供了理论依据和技术支撑。

摘要：微生物电合成(microbial electrosynthesis,MES)利用可再生电力驱动微生物固定CO_(2)合成化学品,在推进碳循环经济中具有一定潜力,受到广泛关注。但是,很少有研究通过高效反应器设计来促进产乙酸并降低能耗。本研究中,新型流动电极MES反应器的总产乙酸速率[(16±1)g·m^(-2)·d^(-1)]比无粉末活性炭(powder activated carbon,PAC)对照[(8±3)g·m^(-2)·d^(-1)]高两倍。流动电极MES反应器的库伦效率为43.5%±3.1%,能量消耗为(0.020±0.005)k Wh·g^(-1),产乙酸的能量效率为18.7%±1.3%。基于PAC的流动电极能够降低水跨膜通量、传质阻力,但是对装置电压、流变行为、乙酸吸附的影响较小。流动电极MES反应器中,能量代谢相关基因高表达,Acetobacterium的丰度增加。MES反应器中同时存在用于碳固定的还原性乙酰辅酶A途径(Wood–Ljungdahl pathway,WLP)与还原性三羧酸循环途径(reductive citric acid cycle,r TCA)。堆叠型流动电极MES中的乙酸浓度达7.0 g·L^(-1)。本研究提供一种构建可扩展MES反应器的新方法,促进CO_(2)利用以及产物生成。

摘要：二氧化碳减量化与转化是当前业界关注及着手解决的重要问题,将二氧化碳作为资源转化为甲烷,有利于环境与社会的可持续发展。本文在分析二氧化碳转化为甲烷技术的基础上,重点介绍了国内外二氧化碳生物转化的研究与进展;总结了二氧化碳生物转化途径及其影响因素,分析了氢营养型、甲基营养型生物转化甲烷机理和生物转化能量来源;探讨了不同产甲烷菌微生物电合成产甲烷和氢气研究进展,总结了微生物电合成法、光合作用法和厌氧消化法等二氧化碳生物转化技术在反应器设计、电极材料选择、工艺条件优化及试验结果评估等方面取得的进展及存在的问题。重点就微生物电合成法的未来研究提出了增强微生物活性、提升氢气利用率、加快高效电极开发、提高能量效率、加强工业废气试验研究和强化光能转化等研究重点和发展方向,同时加强计算机模拟等交叉学科协同创新是促进二氧化碳生物转化技术进步的新方向。