摘 要

二氧化碳是困扰全球的首要温室气体，另一方面其也是地球上最充足的碳来源。找出一种简略高效的方法来利用转化二氧化碳具有重大意义。目前可有效固定二氧化碳的方法较少，本次实验拟采用微生物电合成的方法将二氧化碳转化为醋酸以实现碳的再利用。该方法中对转化效率起主要影响作用的因素为微生物的种类以及电池的阴极材料。本文着手于阴极材料的选择,设置多组平行实验来找到合适的能有效增强微生物电合成效率的阴极材料。

本实验使用磁控溅射的方法将选用的金属溅射到以石墨片为基底的电极片上，通过对阴极电极材料的修饰来影响细菌在电池中反应的效率。经多项测试后结果表明锡基复合阴极材料对微生物电合成醋酸有着较明显的影响，无论是催化效果还是导电性能都要明显提升。

关键词：二氧化碳固定；微生物电合成；阴极材料；乙酸；锡基复合材料

Abstract

Carbon dioxide is an important environmental pollutant that affects the whole world. However,it is also the richest source of carbon on earth.It is of great significance to find a simple and efficient way to deal with carbon dioxide.So far,there are not many ways we can choose to tranform the carbon dioxide into organics.And the efficiency is commomly low.In this experiment,carbon dioxide is converted into acetic acid by microbial electrosynthesis to accomplish the recycling of carbon.The main factors that influence the conversion efficiency in this method are the types of microorganisms and the cathode materials of the battery.This paper focuses on the choice of cathode materials,we could find the suitable cathode materials which can effectively enhance the efficiency of microbial electrosynthesis by setting up multiple parallel experiments.

In this experiment,the selected metal was plated to the electrode plate with graphite substrate by means of magnetron sputtering.The efficiency of the battery reaction is affected when we changed the materials used in the cathode plate.After several tests the results show that the composite of cathode material and tin has a significant influence on the bioelectric synthesis of acetic acid.

Key words:Carbon dioxide fixation;Microbial electrosynthesis;Cathode materials;Acetate;Tin-based composite material

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1微生物电合成的目的及意义 1

1.2微生物电合成的基本原理 1

1.3用于微生物电合成的微生物种类及化合物 3

1.4细胞外电子传递 4

1.5电极材料的选择 5

第2章 材料与方法 7

2.1实验材料 7

2.1.1 药品 7

2.1.2 材料及仪器 8

2.2实验方法 8

2.2.1预处理 8

2.2.2 电极制作 8

2.2.3细菌培养及接种 10

2.2.4反应器的构建 11

2.2.5表征 12

第3章 结果与讨论 14

3.1电极材料的表征 14

3.1.1 XRD 14

3.3不同材料的影响 15

结论及展望 19

参考文献 20

致谢 23

第1章 绪论

1.1微生物电合成的目的及意义

自工业革命以来，各种发明创造大大的改变了人们的生活，人类社会的各个方面都有了质的飞跃，工业活动在其中的作用不言而喻。然而随着科学技术的发展，人们过度的改造了大自然，矿物能源急剧消耗，森林面积不断减少，而空气中二氧化碳的含量缺大大增加，形成了温室效应，推动了全球气候变暖，使得地表大气层增温，气候反常，甚至危及整个生物圈物种的生存环境。在中国，二氧化碳排放超标的现象最为严重，在全世界的二氧化碳排放中占比最高。降低二氧化碳排放量的压力越来越大。人们曾今考虑通过对传统的生产工艺进行改进或改革从而达到节能减排的效果，但这还不足以解决我们目前所面对的问题。结合我国的可持续发展战略，寻找到一条有效的处理及利用CO₂的方法才是实现可持续发展的必经之路。CO₂作为当今世界最丰富的碳资源，将其利用转化为高附加值产品具有重要的经济意义^[1]。为了实现真正的可持续化和绿色化发展, 能量的最终来源必须是可再生能源, 燃料或化学品分子的碳骨架必须直接或间接来源于CO2^[2]。由于CO₂分子中的碳原子处于最高氧化态, 即最低能态, 故将无机碳转化为有机碳的过程中, 需要大量的能量和还原力^[3]。目前能有效固定CO₂的途径主要包括生物转化^[4]、电化学还原^[5]、光催化还原^[6]以及催化氢化^[7]。然而，目前CO₂的转化效率以及能量的利用率还达不到能够进行工业生产的基本要求。将电能作为微生物固定CO₂过程中的能量输入源不仅解决了能量利用率低的问题，其对生物反应也有明显的促进效果，同时也解决了电能在储存利用难题^[8.9]。

1.2微生物电合成的基本原理

微生物电合成(microbial electrosynthesis, MES)指的是微生物细胞在外加电压导入电子的作用下，将甲烷、一氧化碳、二氧化碳等各种一碳化合物转化为如乙酸，乙醇等多碳有机物的过程。在某种程度上与为生物燃料电池十分相似，只不过实验反应与微生物电解池的反应为互逆过程。微生物作为一种特殊的生物催化剂，以直接或间接的方式吸收外界提供的电子，打破胞内代谢原有的氧化还原平衡，驱动氧化反应和还原反应的发生，定向催化底物合成还原性目的产物，抑制氧化副产物的生成^[10]。与燃料电池不同之处在于，反应往往需要通过外加电压的方式来降低阴极过电势，从而保证反应的进行。

图 1.1微生物电合成装置及电子传递机制示意图

MES 研究发展基本可分为三个阶段：在二十世纪八十年代，HONGO 等^[11]研究者们在实验中发现加入外来电子可以提高微生物电合成的产物的产量；2000年后，人们将循环伏安法应用于电子传递机理的探究，证明了存在一种介质可将外源电子由电极传入细胞内；近二十年来，微生物电合成方向的科学技术在不断的快速发展。研究者们一致认为，通过微生物电合成的手段改变细胞内细胞内氧还原辅酶的占比，可以大大的降低反应的活化能。同时，微生物电合成提供的能量与还原力也对细胞的生长以及生产过程有非常明显的促进效果。因此，我们一般认为微生物电合成的过程可以给细胞带来部分有效的刺激。从而促进了细胞的生长以及反应^[12]。在受到了这种特殊的刺激，微生物细胞内系统的正常运行被打乱。使得其在生长和反应等多个方面有了与之前完全不同的表现。同时，也能够实现一般条件下难以达到的“非均衡”过程，从而满足人们设计的实验需求。

一般通过建立生物电化学系统的方式来进行微生物电合成反应。常见的微生物电化学系统中的基本结构分为阴极室、阳极室以及质子交换膜。同时，生物电化学系统能正常运行往往离不开胞外电子传递过程。

胞外电子传递过程可分为两种，一种是微生物将细胞内的电子导出体外；另一种则是微生物吸收来自外界的电子到细胞内。分别在两室中插入电极后通过恒向电位仪在两电极间施加恒定电压，微生物细胞作为生物催化剂，通过吸收外界提供的电子，改变细胞原有的氧化还原平衡，从而驱动固态电极上的氧化反应和还原反应，在阴极上发生还原反应，在阳极上发生氧化反应。在系统外加电压不仅能给微生物提供一定的能量基础，同时能通过调整外加电压的数值有效的控制电合成过程的效率。微生物电合成过程中，只选用电能作为整个系统的能量来源，将二氧化碳作为反应物进行还原产能反应。利用微生物催化电合成对CO₂进行固定有以下好处：（i）电子受体易获得且廉价；（ii）可减轻日益严重的温室效应；（iii）微生物电合成的能量利用率高，可以实现更高的转化率；（iv）微生物电合成体系的运行无需较大占地面积，在用小型装置构建的生物电化学系统中就能正常进行反应。

目前，微生物电合成的研究方向主要分为三大类。其中，微生物种类的选择对反应过程、反应机理以及产物都有较大的影响。由于不同微生物的生理特性不同，在同一环境下进行的反应都可能存在较大差异。而电子从电极到细胞之前的传递机制也会对反应的效率有很大的影响。其往往能决定阴极电势的高低，从而影响反应的效率。在阴极材料方面，材料类别的选取以及对同一材料的修饰都能明显的影响电子传递过程以及微生物的生长过程。

1.3用于微生物电合成的微生物种类及化合物

对于微生物电合成系统的组建来说, 首先要进行的就是选择合适的微生物。作为电合成系统中的生物催化剂，微生物细胞必须具备以下特性：（i）微生物能够接受并利用外源电子; （ii） 微生物可将CO₂转化为其他有利用价值的化学品;（iii） 微生物固定的CO₂可以实现特异性从而生产出人们所需的目标产物。此外,微生物自身的许多生理特征也是选择菌株时需要进行考虑的内容。

到目前为止，微生物电合成过程可选用的微生物类别主要包括产甲烷菌(Methanogens)、产乙酸菌(Acetogens)以及O₂还原微生物(如Ralstonia eutropha H16)和混合培养物等^[13.14]。其中，产甲烷菌属于厌氧菌，在之前的研究中发现其在接受了外部电子后可将二氧化碳转化为甲烷。人们已知可进行微生物电合成过程的产甲烷菌包括甲烷杆菌目(Methanobacteriales)和甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)。由于对产甲烷菌知识的了解尚不足以进行工程改造, 无法在生物工程方面提高其性能，限制了其产物种类的拓宽和催化能力的提升。此外，一些好氧型微生物也能作为微生物电合成的反应菌。然而这些好氧微生物在微生物电合成反应过程中往往会将大量的电子用于还原O₂，同时产生的少量生物质也会吸收部分电子，流向目标产物的电子比例一般不超过5%^[15]，故一般不选用好氧菌作为微生物电解池的反应菌种。产乙酸菌属于严格厌氧菌，可以将CO₂转化为多种多样的燃料分子和化学品, 包括乙酸、乙醇、丙酮、丁醇、丁酸、2,3-丁二醇等^[16]。在一般条件下, 该菌种经由Wood-Ljungdahl途径将二氧化碳转化为各种多碳有机物。普遍认为该途径在已知的所有固碳途径中能耗最低。同时，其反应产物会随着反应条件的改变而改变，其中多碳有机物居多。

Sporomusa是一种严格厌氧、革兰氏阴性、香蕉型的细菌种类。该菌种于1984建立以归纳大量的厌氧菌株。该菌株由于具有两种在微生物界中非常少见的特点从而可以被区分开：革兰氏阴性细胞壁以及形成内生孢子。菌株名字意思为“带孢子的香蕉”，形象的反应了微微弯曲的杆状细胞的结构。

本次试验选用的菌株为Sporomusa ovata。其可进行生物发酵过程的有机底物包括N-甲基化合物，如甜菜碱、N、N-二甲基甘氨酸和sarcos、原醇、羟基脂肪酸和2,3-丁二醇，果糖是该菌种唯一发酵的糖。在将细菌培养一段时间后，通过负染色法染色后在相差显微镜和电子显微镜下进行观察，形态特征表现为细胞呈微弯状，带有锥型端部的香蕉状杆菌，以单个或成对的形式出现，有时会形成s型或螺旋状细胞。孢子生殖细胞几乎是正常细胞大小的两倍，并十分肿胀。其中孢子呈扁平状，一般分布在细胞的顶端附近。细胞一般通过侧面上的鞭毛来运动，细胞通常表现为翻滚的运动和围绕横轴的旋转。形成的菌落普遍直径为1-3毫米，呈微凸的圆形，整体为淡黄色或褐色，不透明且光滑的粘液状菌落。在

进行生物测试时一般使用545 nm的光学密度读数来计算其倍增时间。可通过改变培养基主要营养成分的方式影响其产物类别。唯一大量形成的产物是醋酸，同时也能检测到少量的乙醇，未发现产生任何可见的气体。该生物表现出了典型的醋酸菌的发酵特性，故醋酸一般可被认作为该菌种发酵的特征产物。

图1.2 细菌图样

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