Accelerated H2 Evolution during Microbial Electrosynthesis with Sporomusa ovata

在微生物電合成過程中加速H2的進化

來源：Catalysts（2019年，第9卷）

 

論文總結

研究通過微生物電合成（MES）實驗，探究了Sporomusa ovata作為微生物催化劑對陰極H2生成的影響，重點分析了細胞游離上清液對H2演化的加速作用及潛在機制。以下是對論文的詳細總結。

摘要概括

摘要指出，微生物電合成（MES）是一種利用細菌從陰極獲取電子將CO2轉化為多碳化合物或甲烷的過程。在以Sporomusa ovata為催化劑的MES中，陰極電位常被用作判斷電子攝取是否依賴H2的基準。本研究使用微傳感器在陰極附近檢測H2，發現：在無菌新鮮培養基中，H2在-700 mV（vs. Ag/AgCl）電位下產生；而在S. ovata培養物的細胞游離上清液中，H2在更高電位（-500 mV）即可檢測到。此外，上清液存在時，H2演化速率在低于-500 mV的電位下顯著增加。陰極表面檢測到鎳和鈷的沉積，表明這些催化金屬可能參與加速H2生成。結果表明，S. ovata誘導的陰極電解質改變降低了H2演化所需的電能，且即使在較高陰極電位下，電子也部分通過H2轉移至S. ovata。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

評估S. ovata及其代謝產物對MES系統中H2生成動力學的影響，特別是在不同陰極電位下的H2演化速率。

探究細胞游離上清液是否通過化學或酶促機制加速H2生成，并分析潛在催化成分（如金屬沉積或酶釋放）。

闡明H2在MES電子傳遞中的作用，驗證其作為電子載體的可行性。

 

為優化MES工藝、降低能耗提供理論依據。

 

研究思路

研究采用多步驟實驗策略：

 

系統設置：使用三電極H型生物反應器，陰極室填充不同介質（無菌新鮮培養基、S. ovata細胞懸浮液、細胞游離上清液），陽極室為無菌培養基，以Nafion膜分隔。

H2實時監測：將丹麥Unisense H2微傳感器（型號H2-500）置于陰極表面附近（距離約2 mm），實時測量溶解H2濃度（靈敏度≥0.1 μM），同步記錄電流密度。

電位調控實驗：陰極電位從-900 mV至-400 mV（vs. Ag/AgCl）逐步調整，每組實驗持續25分鐘，監測H2濃度動態。

介質比較：對比三種介質（無菌新鮮培養基、S. ovata細胞懸浮液、細胞游離上清液）下的H2演化速率、電流密度和電子回收率。

表面分析：通過能量色散X射線光譜（EDS）檢測陰極表面元素組成，驗證金屬沉積。

酶活性檢測：使用甲基紫精法測定上清液中氫酶活性，并通過SDS-PAGE和質譜分析蛋白質組成。

 

代謝產物測量：HPLC分析乙酸濃度，評估MES效率。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖或表編號）及研究意義：

 

H2演化速率與電流密度數據（來源：Table 1, Figure 1）

 

 

數據：在無菌新鮮培養基中，H2在-700 mV起始演化，-900 mV時速率達0.58±0.03 μM/min，電流密度為-0.31±0.02 A/m2，電子回收率91.2±4.1%。

 

研究意義：確立 abiotic 條件下H2演化的基準電位，證實低電位（<-700 mV）是H2產生的閾值，為后續生物介質比較提供對照。

 

細胞懸浮液對H2消耗數據（來源：Table 2, Figure 2）

 

 

數據：S. ovata細胞懸浮液中，-900 mV時H2演化速率僅0.11±0.02 μM/min，電子回收率8.5±1.5%，但乙酸產量6.6±0.2 μM，庫倫效率75±3%。

 

研究意義：表明細胞快速消耗H2，支持H2作為電子載體的作用；低H2積累與高乙酸產率結合，證實S. ovata通過H2氧化驅動CO2還原。

 

上清液加速H2演化數據（來源：Table 3, Figure 3, Figure 4）

 

 

 

數據：細胞游離上清液中，H2演化起始電位升至-500 mV，-900 mV時速率達1.02±0.05 μM/min，比無菌培養基高1.8倍；電流密度同步增加。

 

研究意義：揭示微生物代謝產物（如上清液）可顯著降低H2演化過電位，加速電子傳遞；提示非生物成分（如金屬或酶）催化作用。

 

陰極表面金屬沉積數據（來源：Figure 5）

 

數據：EDS顯示上清液暴露的陰極表面有鈷（X射線計數50-120）和鎳（60-140），無菌介質中未檢測到。

 

研究意義：表明S. ovata釋放的金屬離子（可能來自氫酶或輔因子）在陰極表面沉積，形成催化活性位點，解釋H2演化加速。

 

蛋白質組成數據

 

數據：SDS-PAGE鑒定上清液中主要蛋白質為醛氧化還原酶、谷氨酸合成酶等胞內酶，未檢測到完整氫酶。

 

研究意義：排除游離氫酶的直接催化作用，支持金屬沉積或酶碎片主導加速機制；胞內酶泄漏反映細胞裂解貢獻化學復雜性。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

H2演化加速機制：S. ovata的細胞游離上清液通過降低H2演化過電位（從-700 mV升至-500 mV）和提高速率，減少MES能耗；鈷/鎳沉積是潛在催化因子。

電子傳遞路徑：即使在高陰極電位（如-500 mV），H2是電子傳遞的關鍵載體，S. ovata通過氧化H2驅動CO2還原為乙酸。

微生物調控作用：S. ovata不僅作為生物催化劑，還通過改變電解質化學環境（如釋放金屬、代謝物）優化陰極反應，凸顯MES中生物-非生物協同。

 

應用前景：利用微生物修飾電解質可降低MES運行電位，提升能源效率，為可持續化學生產提供新策略。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense H2微傳感器（型號H2-500）用于實時監測陰極附近的溶解H2濃度，其研究意義主要體現在：

 

高靈敏度實時監測：Unisense傳感器提供μM級檢測限（≥0.1 μM），允許在陰極表面微環境（距離2 mm）中連續追蹤H2動態（如Figure 4所示）。例如，實時數據捕獲了上清液中H2演化速率在-900 mV時比無菌培養基高1.8倍，直接證實加速效應。

空間分辨率優勢：傳感器緊鄰陰極表面放置，測量微生物活動熱點區域的H2濃度，避免整體溶液稀釋帶來的誤差。這至關重要，因為MES中H2可能被細菌快速消耗，傳統頂空采樣無法捕捉瞬態變化。

時間動力學解析：傳感器以秒級頻率記錄數據，揭示了H2演化的時間曲線（如Supplementary Figure S2-S4）。例如，在25分鐘實驗期內，H2濃度先快速上升后達平臺，反映了催化反應的穩態平衡，為動力學建模提供參數。

驗證電子傳遞機制：通過比較不同介質下的H2積累（如細胞懸浮液中H2幾乎檢測不到），傳感器數據直接支持H2作為必需電子載體的假設——細胞存在時H2被消耗，上清液中積累證實其非生物起源。

技術可靠性：傳感器校準后數據可重復（三次重復實驗），與電流密度測量同步，確保電子回收率計算準確（如Table 1-3）。例如，電子回收率從無菌條件的91%降至細胞懸浮液的8.5%，凸顯傳感器在量化電子分配中的關鍵作用。

 

機制探索支持：Unisense數據與EDS、酶活性檢測結合，形成完整證據鏈。如H2加速演化與鈷/鎳沉積關聯，傳感器提供的定量H2通量為表面催化效應提供直接證據。

 

總之，丹麥Unisense電極數據是本研究的實驗基石，通過提供高分辨率、實時的H2濃度測量，它直接驗證了微生物修飾電解質對H2演化的加速效應，揭示了電子傳遞路徑，并支撐了金屬催化機制的假設。這項技術突出了微傳感器在解析界面反應中的不可替代性，為MES工藝優化提供了關鍵方法論支持。