课题基金 / 基金详情

基于微生物电合成原理的二氧化碳回收和转化机理研究

批准号:
51308557
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
骆海萍
依托单位:
学科分类:
城市污水处理与资源化
结题年份:
2016
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
吴群河、樊青娟、陈姗姗、侯燕萍、柏瑶苹、符诗雨

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
开发新型的生物技术进行CO2的回收和资源化利用,对减少温室气体排放和实现污水生物处理无害化具有重要意义。微生物电合成系统(Microbial electrosynthesis system, MES)可利用微生物以废水作为产电基质,并将产生的CO2电还原合成有机酸或甲烷,有望实现废水的无害化和资源化。然而,MES的关键作用机理目前尚不清楚。本研究拟通过电化学条件控制、液相和气相成分实时分析、分子生物学测定的方法,对MES中阴极材料与电合成产物的关系、阴极控制电势对生物阴极的影响机制、产乙酸菌和产甲烷菌之间的协同或竞争机制进行深入探讨,以期探明电合成活性微生物与阴极之间的电子传递机理,实现污水处理过程有机物高效降解及CO2有效回收的目标。研究结果对实现废水的高效处理和CO2的资源化回收具有重要的科学指导意义。
英文摘要
To reduce emissions of greenhouse gas and realize the harmless of wastewater treatment,it is significant to develop novel biotechnology for the recovery and utilization of CO2. Microbial electrosynthesis system (MES)is a recently conceived bioenergy strategy in which acetogenic bacteria could accept electrons from negatively charged graphite electrodes as the electron donor for the reduction of CO2 to acetate that was released extracellularly. MES offer an opportunity to realize resource and harmless of wastewater treatment, as it can capture electrons from wastewater and further use them to produce useful organic chemicals by in-situ CO2 reduction. However, mechanisms for electron transfer from electrodes to microbes are still poorly understood. In this project, chemical, electrochemical and molecular biology methods will be adopted to investigate the effect of cathode set potential on the formation of microbial communities and product composition, the performance of diversity of cathode materials for microbial electrosynthesis, and the competition of electrons among diversity of species in a co-culture MES system. The object of this project is to provide clear informantion about mechanism of electron transfer between bacteria and solid electrode,and realize the integrated utilization of CO2 and maximization of organic removal rate from wastewater with optimization design of the MES. The study will provide an alternative for the CO2 capture from the environment, which will highlight an important scientific meaning for the resource and utilization of wastewater in the future.
微生物电合成系统(Microbial electrosynthesis system, MES)可利用微生物以废水作为产电基质,并将产生的CO2电还原合成有机酸或甲烷,有望实现废水的无害化和资源化。然而,MES的关键作用机理目前尚不清楚。本研究探讨了MES在不同阴极电势下的运行特征,并通过电子介体的添加探究MES阴极与产乙酸菌之间的电子传递方式;探讨了生物阳极MES的构建及其效能与间隔膜类型之间的关系,通过电能输出、阴极还原产物组成、微生物群落结构变化和运行过程中阴极生物膜的形态和生物量等参数的测定系统阐述了MES利用生物能还原CO2产乙酸的特征。研究结果表明:MES阴极电势为- 700 ~ - 800 mV的情况下电流密度、库仑量和乙酸产量均高于其他电势下的情形。生物阳极MES以双极膜(Bipolar membrane, BPM)为间隔材料时,相较于采用质子交换膜(PEM)的MES,其阴极产乙酸速率可提高222%,阳极基质降解率可提升32%,电流输出可提高3.7倍;生物阳极MES的电能耗为19.59 ± 1.59 to 27.09 ± 3.47 kWh/kg,其中阳极生物能的贡献占比为50%~77.3%;BPM可原位缓解阴极和阳极溶液的pH变化,从而使阴极和阳极生物膜的生物量和活细菌占比都显著增强;测序结果表明,BPM-MES的阴极表面可保持相对稳定的Acetobacterium丰度,其他的优势菌还包括产甲烷菌(Methanobrevibacter)和硫酸盐还原菌(Desulfovibrio);通过施加紫外光可有效抑制阴极产甲烷作用,保持高的H2产量的同时使能量回收率显著提高;添加硫酸盐可促进MES的阴极产乙酸速率,经过12 d的运行,-700 mV下运行的MES阴极乙酸总产量提高233%,生物量提高80%,Desulfovibrio 的丰度显著增加,从而证实Desulfovibrio可促进阴极与生物膜之间的电子传递。相关结果迄今在国际主流期刊发表SCI论文11篇(均为第一或通讯作者),包括Environ. Sci. Technol.(1篇)、J. Hazard. Mater.(2篇,其中一篇为ESI被引3%)、Bioresour. Technol.(2篇)、J. Membr. Sci.(2篇)等,对实现废水和CO2的高效处理及资源化回收具有重要的科学指导意义。
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
DOI: 10.1021/es501202e
发表时间: 2014-09-02
期刊: ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY
影响因子: 11.4
作者: [Hou, Yanping, Luo, Haiping, Fu, Shiyu]
通讯作者: Fu, Shiyu
Heavy metal recovery combined with H2 production from artificial acid mine drainage using the microbial electrolysis cell
使用微生物电解池从人工酸性矿山排水中回收重金属并生产氢气
DOI: --
发表时间: 2014
期刊: Journal of Hazardous Materials
影响因子: 13.6
作者: [Ren Duo Zhang, Yao Ping Bai, Shi Yu Fu, Yan Ping Hou]
通讯作者: Yan Ping Hou
Microbial electrolysis cell with spiral wound electrode for wastewater treatment and methane production
用于废水处理和甲烷生产的具有螺旋卷绕电极的微生物电解池
DOI: 10.1016/j.procbio.2015.04.001
发表时间: 2015-07-01
期刊: PROCESS BIOCHEMISTRY
影响因子: 4.4
作者: [Hou, Yanping, Zhang, Renduo, Zeng, Jia]
通讯作者: Zeng, Jia
Simultaneous sulfate and zinc removal from acid wastewater using an acidophilic and autotrophic biocathode
使用嗜酸性和自养生物阴极同时去除酸性废水中的硫酸盐和锌
DOI: 10.1016/j.jhazmat.2015.10.050
发表时间: 2016
期刊: Journal of Hazardous Materials
影响因子: 13.6
作者: [Teng Wenkai, Liu Guangli, Luo Haiping, Zhang Renduo, Xiang Yinbo]
通讯作者: Xiang Yinbo
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    同型产乙酸菌/矿物协同驱动CO2固定的胞外电子传递及调控机制
    • 批准号:
      42077286
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      58.0万元
    • 批准年份:
      2020
    • 负责人:
      骆海萍
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金