Bacteria coated cathodes as an in-situ hydrogen evolving platform for microbial electrosynthesis

作為微生物電合成中原位產氫平臺的細菌涂層陰極

來源：Scientific Reports, volume 10, article number: 19852, 2020

《科學報告》，第10卷，文章編號19852，2020年

 

摘要內容

該研究探討了在微生物電合成（MES）中，氫氣作為關鍵中間體在二氧化碳還原中的作用。研究使用十種來自不同屬（Rhodobacter, Rhodopseudomonas, Rhodocyclus, Desulfovibrio, Sporomusa）的細菌菌株，在-1.0 V vs. Ag/AgCl電位下形成單菌種生物膜陰極，并利用二氧化碳作為碳源，通過微傳感器實時監測氫氣產量。結果表明，其中八種菌株表現出電活性，兩種Desulfovibrio菌株（D. paquesii和D. desulfuricans）的產氫速率顯著高于非生物條件（提高2至8倍）。D. paquesii DSM 16681的產氫速率最高（45.6±18.8 μM min?1），但其單位生物量的產氫效率與其他菌株相似。研究強調了不同菌株在產氫能力上的差異，為開發穩定的產氫生物陰極平臺提供了依據。

 

研究目的

篩選和評估十種潛在產氫細菌在生物陰極上的產氫性能，以確定最適合用于微生物電合成中作為穩定產氫平臺的菌株，并為構建產氫菌與同型產乙酸菌的共培養體系奠定基礎。

 

研究思路：

1 選擇十種已報道的潛在產氫細菌菌株。

2 在碳布陰極上形成單菌種生物膜，使用標準化反應器設計和操作條件以減少外部變量影響。

3 在-1.0 V vs. Ag/AgCl電位下運行生物電化學系統（BES），以CO?為唯一碳源。

4 使用Unisense微傳感器實時監測氫氣產量，并與非生物條件對比。

5 通過qPCR測量生物膜中16S rRNA基因拷貝數以評估生物膜穩定性。

6 利用循環伏安法（CV）表征菌株的電化學活性。

7 分析產氫速率、電流需求、能效和庫侖效率等參數。

8 比較不同菌株的長期產氫穩定性及機制。

 

測量的數據及研究意義：

1 氫氣生產速率（μM min?1）：通過Unisense微傳感器實時監測，數據來自圖2、圖3和表1。意義：直接評估各菌株在生物陰極上的產氫效率，區分生物與非生物貢獻，識別高效產氫菌株。

 

 

 

2 生物膜穩定性（16S rRNA基因拷貝數/cm2或/mL）：通過qPCR測量，數據來自圖1。意義：確認生物膜在電極表面的附著和生長情況，評估菌株在電化學環境下的存活和穩定性。

 

3 電流需求（mA m?2）和能量消耗（kWh）：數據來自表1。意義：反映產氫過程的電化學效率，評估系統能耗和經濟可行性。

4 庫侖效率（CE%）：數據來自表1。意義：衡量電子用于產氫的比例，評估菌株的電子利用效率。

5 循環伏安（CV）曲線：數據來自圖4。意義：檢測菌株的電化學活性，識別氧化還原峰，揭示電子轉移機制。

 

6 pH變化。意義：監控反應環境變化，評估pH對產氫熱力學和菌株代謝的影響。

7 乙酸濃度。意義：驗證產氫消耗用于代謝產物合成，解釋氫氣凈值變化。

 

結論：

1 十種測試菌株中八種表現出電活性，但產氫能力差異顯著。

2 兩種Desulfovibrio菌株（D. desulfuricans DSM 642和D. paquesii DSM 16681）表現出持續且高效的產氫性能，尤其在長期操作中產氫速率顯著高于非生物條件。

3 部分菌株（如Rhodopseudomonas spp.）初始產氫高但隨CO?補充下降，可能涉及氫氣消耗或代謝轉換。

4 S. ovata因快速消耗氫氣用于產乙酸，不適合作為凈產氫平臺。

5 Desulfovibrio菌株因其高穩定性和產氫效率，是構建產氫生物陰極共培養體系的最佳候選。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用Unisense微傳感器實時監測氫氣濃度具有高時空分辨率優勢，能準確捕捉生物陰極表面的動態產氫過程。其研究意義包括：

1 實現原位實時監測，避免傳統離線采樣導致的誤差，提供更精確的產氫速率計算（基于初始25分鐘線性響應）。

2 高靈敏度能區分微小濃度變化，有效識別生物與非生物產氫的差異，如D. paquesii的產氫速率顯著超出非生物背景。

3 直接接觸液體測量，減少氣液平衡延遲，準確反映生物催化產氫的真實效率。

4 連續監測結合CO? flushing實驗，揭示菌株產氫的穩定性及代謝適應性（如第二次CO?補充后產氫下降或提升）。

5 數據支持定量分析比產氫速率（單位生物量），客觀比較菌株性能，排除生物膜密度干擾。

6 為機制推斷提供依據，如產氫速率與電流需求、庫侖效率的關聯，驗證電子流向氫氣生產的效率。

7 輔助驗證生物膜的電活性（通過CV），關聯電化學信號與實際產氫輸出，深化對微生物電子轉移機制的理解。