课题基金 / 基金详情

微生物催化CO2电甲烷化及胞外电子传输与诱导调控的分子机制

批准号:
51808226
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
甄广印
依托单位:
学科分类:
固废资源转化与安全处置
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
张衷译、郑韶娟、支忠祥、潘阳、王建辉

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
微生物电解池以电活性功能菌为催化剂,催化还原CO2合成甲烷,是环境、能源、生物等领域研究热点。但交换膜污染、质子迁移难、CO2气液传质慢等难题,严重制约电甲烷化性能; 且胞外电子传输机制亟待完善。本项目拟构建连续式CO2电甲烷化反应体系和“生物气膜面切向循环扫流微单元”,原位剥离膜面胶体/大分子聚合物,强化质子跨膜传输,加速CO2气液传质,通过解析膜-污键合/脱析动态、“气-液-菌”物质传递及碳流向与转化机制,提出最佳膜污染原位防控与CO2电甲烷化策略;追踪表征生物膜负载、电催化活性及群落动态演替,推演极面-功能菌电子传输行为和复杂菌种间协同/竞争效应,识别功能菌执行胞外电子传输的主控基因及色素类型,从分子和基因水平揭示CO2电甲烷化动力源的激发原理与调控机制。本项目预期将为构建稳定的人工原位CO2固定与碳中和技术,完善电甲烷化及胞外电子传输机制,推动规模化碳减排与增值回用提供技术储备。
英文摘要
Microbial electrolysis cell (MEC) represents a newly emerging CO2 utilization strategy that can bioelectrochemically reduce CO2 and simultaneously electrosynthesize biomethane by using electrochemically active bacteria colonizing on the biocathode as biocatalysts. However, electrochemical reduction of CO2 is hindered by rapid membrane fouling, slow proton and CO2 mass transfer and poor process stability; more importantly, the principle mechanisms in extracellular electron transport are yet unclear. Therefore, the specific objective of this research is to develop a continuous and robust electromethanogenesis process for CO2 conversion and methane production. For those purposes, a series of two-chamber MEC reactors equipped with a tangential biogas recirculation unit along the membrane surface within cathodic chamber will be designed and run in parallel with gaseous CO2 as the sole carbon source to control the membrane fouling and enhance proton transport and CO2 dissolution. The formation and desorption dynamics of foulants on the membrane, and the responsible mechanisms for mass transfer and carbon conversion among gas-liquid-cells during the long-term operation will be explored to optimize the operational parameters for maximizing CO2 electroduction and methane productivity. Meanwhile, the changes in viabilities, microbial community, interspecific ecological niche and bioelectrocatalytic activities of the developed cathodic biofilms, the electron transport and exchange behaviors occurring at the microbe–electrode interface over time as well as the key genes governing CO2 bioconversion and direct electron uptake will be investigated to in-depth recognize thermodynamic working principles and bioelectrocatalytic routes for the regulated and stimulated bioelectroreduction process, and to enrich the theory system of electromethanogenesis and extracellular electron transfer. The current work can provide the scientific basis for developing a highly efficient and robust process for real wasted CO2 conversion and reuse, alleviating the dependence on fossil fuels and ensuring the energy security.
化石燃料消耗量的持续增长加快了全球原生能源的枯竭,导致了大量CO2的排放。本项目构建微生物电解池反应器实现CO2电甲烷化的长期稳定运行,结合运用分子热力学、分子动力学、生物信息学和数学分析学等方法与技术,对以电活性产甲烷菌为主的生物群落还原固定CO2的分子机制进行了初步研究。首先,通过阴极电势参数优化与NaHCO3浓度追踪,获得CO2电甲烷化的长期稳定运行条件,实现最大甲烷产率6.29 mL/cm2;通过高通量测序进一步证实了阴极优势群落为以Methanobacterium为主要的氢型产甲烷菌,该菌属相对丰度最高可达24.1%。在阳极采用有机质作为复杂e−/H+供体源可有效降低能耗,实现CO2甲烷化及同步废弃生物质高值化利用;并通过设立“基质间歇式外循环”与“生物气膜面切向循环扫流微单元”,强化质子传输,加速膜面阴极侧液体流态化及膜面剪切冲刷作用,降低了膜面积垢与膜孔堵塞,提高了质子跨膜传递和电活性生物膜-CO2-物质传输速率,推动CO2捕获与高效甲烷转化,阴极室日甲烷产率可达8.5 mL/L·d。进而投加电子中介体核黄素进一步促进CO2电甲烷化性能,结果证明核黄素的存在会刺激蛋白质、脂质等物质的产生,在胞外电子传递、生物膜形成的过程中起促进作用。16S rRNA分析证实,生物膜还原CO2产甲烷性能与Methanobacterium呈正相关。最后,运用宏基因组学系统研究了的电催化生物膜参与细胞外电子转移的电子穿梭机制,初步揭示了微电流诱导可调控功能基因的定向表达,并合理推测了与直接电子传递可能高度相关的基因,如hdrA、ehaA和ehbC等。综合上述结果,本研究为建立稳定高效的人工原位CO2减排与碳中和技术,推动电甲烷化由基础研究向工程应用的迈进,为促进CO2减排同步碳回用提供理论基础和技术参考。本研究资助发表学术论文25篇,其中SCI论文16篇、中文核心论文9篇。培养博士生1名、硕士生2名,其中1名已取得硕士学位、1名已完成毕业答辩。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Semi-continuous anolyte circulation to strengthen CO2 bioelectromethanosynthesis with complex organic matters as the e-/H+ donor for simultaneous biowaste refinery
半连续阳极电解液循环,以复杂有机物作为同步生物废物精炼厂的e-/H供体,强化CO2生物电甲烷合成
DOI: 10.1016/j.cej.2021.133123
发表时间: 2021-10
期刊: Chemical Engineering Journal
影响因子: 15.1
作者: [Zhen G., Zheng S., Han Y., Zhang Z., Lu X., Xu K.-Q.]
通讯作者: Xu K.-Q.
Bioelectrochemical regulation accelerates biomethane production from waste activated sludge: Focusing on operational performance and microbial community
生物电化学调节加速废弃活性污泥的生物甲烷生产:关注运行性能和微生物群落
DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.152736
发表时间: 2022
期刊: Science of the Total Environment
影响因子: 9.8
作者: [Zhi Z., Pan Y., Lu X., Wang J., Zhen G.]
通讯作者: Zhen G.
Magnetite-enhanced bioelectrochemical stimulation for biodegradation and biomethane production of waste activated sludge
磁铁矿增强生物电化学刺激用于废弃活性污泥的生物降解和生物甲烷生产
DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.147859
发表时间: 2021
期刊: Science of the Total Environment
影响因子: 9.8
作者: [Qin X., Lu X., Cai T., Niu C., Han Y., Zhang Z., Zhu X., Zhen G.]
通讯作者: Zhen G.
DOI: 10.13227/j.hjkx.202003164
发表时间: 2020
期刊: 环境科学
影响因子: --
作者: [潘阳, 牛承鑫, 支忠祥, 王建辉, 陆雪琴, 戴金金, 甄广印, 孙彤彤, 康娜英]
通讯作者: 康娜英
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    电催化介导强化厌氧消化液后处理同步生物气提质的功能菌协同代谢分子机制
    • 批准号:
      --
    • 项目类别:
      省市级项目
    • 资助金额:
      0.0万元
    • 批准年份:
      2025
    • 负责人:
      甄广印
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金