摘 要

随着环境污染与能源短缺问题日趋严重，世界各国的科研人员都开始积极探索节能减排，兼顾环境与能源需求的可持续发展新技术。微生物电合成作为一种电能驱动二氧化碳还原有机物的新技术，虽然这种技术是一种可持续发展技术，且能量来源可再生，符合绿色化学，但是效率低是一个很突出的问题。

本实验的主要目的就是通过改良阴极复合材料，使微生物电合成的效率尽可能大。实验通过溅射装置制备钛基复合阴极材料，对其形貌、电化学性能等进行分析并且将电极材料与微生物结合检测乙酸的产量。实验准备了镀钛与镀钛钼两个电极，并与普通石墨电极做对比，利用微生物Sporomusa ovata将CO₂还原成乙酸，发现镀钛电极的乙酸产率比普通石墨电极高出58%左右，钛钼电极的乙酸产率比石墨电极高出77%左右。

关键词：微生物电合成；钛基材料；乙酸；阴极材料

Abstract

As environmental pollution and energy shortages become more and more serious, scientific researchers all over the world have begun to actively explore new technologies for energy conservation and emission reduction, taking into account the environmental and energy needs of sustainable development. Microbial electrosynthesis is a new technology that uses electric energy to drive carbon dioxide to reduce organism.This is a sustainable development technology, its energy source is renewable, and it is accord with green chemistry, but its low efficiency is a prominent problem.

The main purpose of this experiment is to improve the efficiency of microbial electrosynthesis by improving the cathode composite material. A titanium-based composite cathode material was prepared by a sputtering device, analyzing its morphology features and electrochemical performance, and combining electrode material with microorganisms to detect the production of acetic acid. Titanium -molybdenum-coated and Titanium-coated electrodes were prepared, compared with common graphite electrodes,using the microorganism Sporomusa ovata to reduce CO₂ to acetate.It turned out that the acetate from the titanium-coated electrode is almost 60% higher than common graphite electrode，the acetate from the Titanium -molybdenum-coated electrode is almost 60% higher than common graphite electrode.

Keywords: microbial electrosynthesis;titanium-based material;acetate;cathode material

目录

第1章 绪论 1

1.1微生物电合成简介 1

1.2.1电子传递机制 3

1.2.2电化学活性菌株的培养及选择 3

1.2.3电极材料的选择 4

1.3国内外的研究现状 5

1.4研究目的及意义 6

第2章 实验部分 7

2.1实验材料与原理 7

2.1.1反应器的构建 7

2.1.2实验菌株的背景与来源 7

2.1.3阴阳两室的溶液成分 8

2.1.4电极材料的准备 8

2.2实验过程 10

2.2.1准备工作 10

2.2.2实验的运行 11

2.2.3取样与分析 11

2.3阴极材料电导率测试 12

第3章 结果分析与讨论 13

3.1乙酸产量分析 13

3.2乙酸产率计算与分析 15

3.3光学密度（OD值）与pH的分析 15

3.4电流的分析 16

第4章 结论与展望 17

4.1实验结论 17

4.2展望 17

参考文献 18

致谢 20

第1章 绪论

1.1微生物电合成简介

近年来，随着世界经济的快速发展，一些全球化的问题也出现了。由于煤炭、石油等化学燃料的大量使用，能源短缺与环境污染等问题已经引起了世界各国人民的重视。据统计，2009年世界能源的需求为120亿吨石油，而到2035年，能源年需求量将还会增长50%。在CO₂的排放方面，全球CO2年排放量将从2009年的290亿吨增长至430亿吨^[1]。所以，人们试图寻找新能源代替化石能源以减少温室气体排放，最终实现真正的可持续发展。我们都知道植物可以通过光合作用将CO₂转化成各种有机物，除此之外，科学家还发现了一些固定CO₂的其他途径，但是这些途径都仅存在于微生物中。于是科学家们想到在电能驱动下以微生物为催化剂来还原CO₂，将CO₂转化成具有更高附加值的产物如甲酸、乙酸、甲醇、乙烷等。这就是微生物电合成的雏形，它是解决环境污染与能源短缺问题的一种有效手段。早期由于氢能源的储存与运输存在很大的安全隐患，而微生物电合成可以直接对H₂进行利用，无须运输与储存，可以有效解决这一问题。另一方面，由于欧洲一些国家大力建设风力发电站、太阳能发电站等，它们在用电高峰期的白天可以有效满足自己国家的用电需求。而到了夜晚，居民用电量下降，而风力发电站照常发电，很多电不能储存只好免费赠送给周边国家使用。一旦有了微生物电合成，不仅可以自己利用多余的电能，还能获得一些高效益的有机化学品。

微生物电合成（microbial electrosynthesis，MES）是指微生物细胞利用电能驱动CO₂还原为有机物的过程^[2]。是一种近几年来才兴起的新技术，它将电化学与微生物学结合起来，由RABAEY教授于2010年在 Nature杂志中进行了系统阐述^[3]。这种技术可以把一碳化合物（如CO、CO₂）转变为供人类使用的多碳有机化学品（如乙酸、乙醇等）。在微生物电合成中，微生物作为一种催化剂，它可以利用H₂或者电极直接或者间接地获得电子，定向的将CO₂还原成特定的有机物。这种方法打破了微生物自身的代谢平衡，能定向的获得还原产物，有效避免其他副产物的生成。之所以选择利用电能驱动微生物固定二氧化碳，是因为其有特定的潜在优势^[4,5]，如MES的电子受体廉价易得，并且能减少日益增大的温室气体浓度。从能量效率方面看，微生物电合成的能量效率为植物光合作用的一百倍作用。从消耗的资源方面看，微生物电合成不像传统的以生物质原料作为燃料生产化学燃料那样，需要消耗大量的耕地和水资源。所以，微生物电合成技术是一种清洁的产能手段，同时还能变废为宝。虽然微生物电合成是一种可持续发展新技术，符合绿色化学，但是其效率低是一个显而易见的问题。所以本文从改善其效率的一个因素出发，制备钛基复合阴极材料，探究其对微生物电合成乙酸的催化效果。

微生物电合成的研究主要经历了3个发展时期，首先在上世纪八十年代，有学者将MES应用于L-谷氨酸发酵，通过施加电压使L-谷氨酸的产量有了显著提高。这种方法是直接施加电压，让微生物从电极上获得电子。后来有学者尝试了人为地给系统提供外源电子，结果发现一些有机物的产量提高了，如丁酸、丙酸等；然后在二十一世纪初，由于循环伏安法的发现，电子传递机理的研究有了新突破。有了这个突破，就有学者想到利用电化学手段来表征电子传递机制，进而探究外源电子是如何影响细胞代谢的^[6]；最后一个研究时期是本世纪一零年代，由于发现了其他固定CO₂的方法，但是都存在于微生物中。所以有学者试图将MES应用于固定CO₂，以微生物作为催化剂，定向将CO₂转化成乙酸等有机物。同时，微生物燃料电池（microbial fuel cells，MFC）在处理污染方面的研究也很热门，有些从事微生物燃料电池研究的人也开始研究微生物电合成，使得这一领域又有了新的发展。在此之前，行内学者都普遍认为可以通过MES改变细胞内的一种还原性酶的比例，从而使细胞具有定向还原性。直到PANDIT等^[7]学者通过计算机模拟证实了利用MES方法产生的还原量可以提高大肠杆菌内ATP产率。所以，微生物电合成可以看作为外源电子对微生物的一种刺激反应，通过这种反应，微生物打破自身的代谢平衡，定向还原产物。这种技术的优点是只需要挑选适合的微生物菌株而不用对菌株做任何的基因改造，操作上更简便，相信在不久的将来会成为一个新的发展方向。

1.2微生物电合成的原理

图1.1 微生物电合成原理示意图

1.2.1电子传递机制

胞内传递和胞外传递是微生物电合成中的两种电子传递机制。胞内传递指电子从微生物细胞内转出，环境中的电极作为电子受体，将化学能转化为电能，主要应用于微生物燃料电池；而胞外传递指外界环境的电子（电极表面）最终被微生物细胞所捕获，将电能转化为化学能，主要应用于微生物电合成。有一些微生物同时具有这两种电极交换能力，但是由于电子传递是进行一系列氧化还原反应的结果，所以即使这两个过程看似可逆，其实际的过程可能大相径庭。目前，对于电子传递机制的研究仍然不是很清楚，所以这也成为制约这一领域发展的重要因素。

本文是探究电极材料对微生物电合成的影响，所以着重介绍胞外电子传递。在微生物电合成中，同样存在两种电子传递方式：①直接传递，固体电极直接将电子传递给微生物，电子通过细胞内的某些酶，细胞色素c^[8]等BUSALMEN 传递。直接电子传递通常是通过微生物在固体电极表面形成的生物膜来实现的。由于生物膜存在时间较长，所以直接传递能长时间进行。但是随着反应的进行，膜内外的底物和产物的扩散会有所限制，且电子传递还会受限于电极的表面积，这也是直接电子传递的一个弊端；②间接传递，即微生物与固体电极之间依赖于某些小分子载体进行电子传递。小分子载体包括氢气、甲酸等，其共同点是能够经过电化学反应实现还原再生。它们能作为载体的主要原因是它们的氧化还原电势低，微生物能从中获得足够的能量来维持其自身的生长和CO₂的还原^[9]。

通常在一个MES系统中，电子传递方式的考量是极其重要的，而阴极所加电势又会影响电子传递的方式。当阴极电势高于H /H₂还原电势时，则不会出现直接电子传递的方式。一般而言，阴极电势越高，电流密度越小，电合成效率较低。所以在MES中阴极所加电势的大小也是一个很关键的因素。

1.2.2电化学活性菌株的培养及选择

电化学活性菌株就是指那些可以与环境之间进行电子传递的微生物，根据传递方式的不同，一些菌株可以实现直接电子传递，另一些能进行间接电子传递，需要合理挑选适当的菌株。由于菌株本身的多样性及实现电子传递方式的差异，故对菌株的培养方式也有所不同。通常有纯种培养和混菌培养。

纯种培养。早期研究的菌株主要有S.oneidensis和G.sulfurreducens，通过利用它们对高价态金属离子接受电子能力的分析，为以后的研究奠定了基础。随着后来更多电化学活性菌株被发现，比如用于发酵的菌株，用于处理工业废水的菌株，都极大的推动了微生物电合成的发展。并且随着基因工程技术的发展，越来越多遗传背景清晰、生产能力强大的电化学活性菌株被应用于微生物电合成。比如大肠杆菌（E coli），因为大肠杆菌的遗传背景与代谢途径研究得比较透彻，所以被广泛应用于多种微生物基化工产品的发酵生产^[10,11,12]。但是关于大肠杆菌的电子传递机制的研究并不明确，所以将基因工程技术与电子传递机制和大肠杆菌的遗传背景相结合，成为了研究的一大热点。此种技术实为一种基因改造技术，虽然可以提高电子转移速率，实现微生物的氧化或还原，但是此手段需与电子传递机制相结合。故利用基因工程技术来提高电子转移速率特别是细胞吸收外源电子速率，还需要进一步研究。

混菌培养。相比于纯种培养，混菌培养能获得高效的电子传递。这是因为电化学菌株分布的局限性与直接电子传递的复杂性限制了纯种培养的电子传递。混菌培养还分为已知菌种的人工混合菌群和在自然界通过筛选驯化的自然混合菌群^[13]。代谢条件而言，人工混合菌群的菌株一般是已知的。它们通过形成鲁棒性关系构建出两种建代谢途径，单一菌株不存在与产物产率较低的两种代谢途径。它们的特点是形成的不同菌株分别承担不同的功能，但是共同完成发酵任务，方向性强、效率高。而自然混合菌群相比于人工混合菌群，其在微生物电化学领域的应用更为广泛。原因是自然混合菌群具有菌种稳定性、底物广谱性、环境抗逆行以及人工电子载体的高效电子传递效率的特点^[14]。

1.2.3电极材料的选择