微生物電合成甲烷技術(shù)的研究進(jìn)展

孟宏宇 趙帥杰 吳 云

(天津工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300000)

1 微生物電合成技術(shù)的發(fā)展背景

二氧化碳的大量排放已經(jīng)成為各國政府和科研人員共同關(guān)心的熱點(diǎn)話題。有調(diào)查顯示，大約全球90%的二氧化碳是通過化工產(chǎn)業(yè)的燃燒排放的[1]。二氧化碳的大量排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇[1,2]，引起全球變暖，同時(shí)還會(huì)造成許多資源的浪費(fèi)。為了能夠更好地利用二氧化碳，二氧化碳的捕集技術(shù)一直都是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，主要分為：物理捕捉、化學(xué)捕捉和膜分離三大方向[3]，其中電化學(xué)捕集二氧化碳技術(shù)憑借其操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)條件溫和、可選擇性合成產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣大學(xué)者深入研究[4]。微生物電合成技術(shù)(MES)固定二氧化碳有著電子受體廉價(jià)易得、能量效率高等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)最早由Hongo 等人[5]于1979年在微生物電解池(MEC)的基礎(chǔ)上研究得到。通過對(duì)比施加了1.5 V外加電勢(shì)合成得到的 L-谷氨酸的產(chǎn)量和厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的L-谷氨酸的產(chǎn)量，他們得出結(jié)論：前者產(chǎn)量提高了十分之一。2010年以來，該技術(shù)迅速發(fā)展，并取得了諸多成果，明確了如外加電勢(shì)[6]、陰極材料[7]、微生物的選擇[8]等因素對(duì)微生物電合成系統(tǒng)產(chǎn)甲烷效率的影響。

微生物電合成系統(tǒng)以二氧化碳為原料，將其轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的有機(jī)物產(chǎn)物，如甲酸[9]、甘油[10]、乙酸[11]、丁酸[12]和甲烷[13]等燃料，是近年來該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，液態(tài)燃料的提取操作成本較大，限制了其發(fā)展。氣體燃料有著分離操作簡(jiǎn)便快捷，能量消耗較低等優(yōu)點(diǎn)，因此合成甲烷的研究成為主流。但尚未有人系統(tǒng)地總結(jié)微生物電合成系統(tǒng)在產(chǎn)甲烷方面近年來的研究進(jìn)展。作者系統(tǒng)地總結(jié)微生物電合成系統(tǒng)在合成甲烷技術(shù)上的研究進(jìn)展，主要包括不同電極的研究、不同的運(yùn)行條件對(duì)微生物電合成系統(tǒng)的影響以及微生物電合成技術(shù)與厭氧發(fā)酵技術(shù)耦合系統(tǒng)的發(fā)展。

2 微生物電合成系統(tǒng)的基本原理

微生物電合成系統(tǒng)的主要核心部件有：電極材料、陽極室、陰極室和質(zhì)子交換膜。把微生物吸附在電極上作為催化劑，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，其中一部分的電子被陽極自身利用，另一部分通過電極上的微生物氧化有機(jī)物，將產(chǎn)生的電子和氫離子經(jīng)由外部電路和質(zhì)子交換膜傳到陰極，并在陰極室內(nèi)通過吸附在生物陰極上的微生物消耗電子和氫離子發(fā)生CO2還原反應(yīng)，生成甲烷、乙酸、丙酸、丁酸等有機(jī)物或其他能源物質(zhì)及化學(xué)品，如氫氣[14]。從能量的角度來講，微生物電合成電池與微生物燃料電池(MFC)相反，微生物電合成系統(tǒng)可以將外加電源賦予的電能以微生物作為催化劑的條件下，利用系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存的化學(xué)能，這些儲(chǔ)存的能量后續(xù)甚至可以增值成為化工商品[15]。

微生物電合成系統(tǒng)通過胞外電子傳遞機(jī)制來利用系統(tǒng)內(nèi)的所產(chǎn)生的電子，即微生物將胞內(nèi)電子傳遞至胞外或直接從胞外捕獲電子。而陰極從產(chǎn)甲烷菌上獲得電子的方式又可以分為直接電子傳遞和間接電子傳遞[16]。這兩種電子傳遞的方式并不互斥，即可以共存于一種微生物，并在反應(yīng)進(jìn)行時(shí)同時(shí)發(fā)生、相輔相成[17,18]。直接電子傳遞指陰極上的微生物將胞內(nèi)產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到胞外的電子受體表面，使得陰極電極表面獲得電子還原CO2的過程。而間接電子傳遞是細(xì)菌通過外部環(huán)境而實(shí)現(xiàn)的，依靠電活性微生物通過電子媒介將電子傳遞給胞外電子受體的過程。可通過加入不同的電子媒介，改變微生物的能量代謝途徑，加快電子傳遞速率，影響微生物本身的生理生長特性以提高產(chǎn)甲烷的性能[19,20]。

3 電極材料的選擇研究現(xiàn)狀

電極材料的選擇在微生物電合成系統(tǒng)還原CO2產(chǎn)生有機(jī)物的反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。為了能提高產(chǎn)物的選擇空間和系統(tǒng)整體的電流效率，對(duì)于不同電極材料的嘗試主要集中在提高電極活性和穩(wěn)定性上，其中最早的研究可以追溯到1870年，Royer等使用Zn電極在Na2CO3水溶液中通電還原了CO2，得到產(chǎn)物甲酸。自1980起，多數(shù)學(xué)者的主要研究方向聚焦在了使用汞齊化的Cu、Pb、Sn等作為電極以得到甲酸等有機(jī)物。Frese等[21]于1985年使用金屬和半導(dǎo)體作為電極材料對(duì)CO2進(jìn)行催化還原，最終得到產(chǎn)物甲醇。隨后謝佳芳等[22]在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)在 5 mA·cm-2的電流條件下，Cu電極能將CO2還原并同時(shí)產(chǎn)生甲烷和乙烯。二十世紀(jì)九十年代以來，Gattrell等[23]發(fā)現(xiàn)在低溫環(huán)境下使用銅箔作為電極材料，以KHCO3與CuSO4的混合溶液作電解液，同樣可以發(fā)生還原CO2的反應(yīng)，且電流效率較高。21世紀(jì)以來，成本較低且容易得到的碳材料成為電極材料研究的熱點(diǎn)。Hara團(tuán)隊(duì)[24]將玻碳電極置于高壓下，發(fā)現(xiàn)電極表面可以快速發(fā)生CO2的還原反應(yīng)，生成CO和甲酸等化合物。近年來，在碳電極上吸附電活性微生物催化還原CO2逐漸被關(guān)注，例如：Cheng等[25]將產(chǎn)甲烷菌作為催化劑附著在系統(tǒng)的陰極上，通過還原CO2得到了甲烷；Villano等[6]將嗜氫型產(chǎn)甲烷菌吸附在碳紙上作為生物陰極去還原CO2，同樣得到了產(chǎn)物甲烷。

近年來，針對(duì)微生物電合成系統(tǒng)的陰極材料優(yōu)化的研究也是層出不窮，主要分為電極的表面修飾和電極的改造兩大方面[26]。表面修飾即對(duì)電極陰極的表面進(jìn)行改性以提高電極性能，其材料的選擇上多為金屬、金屬氧化物、聚合物薄膜等[27]。祁家欣等[28]使用將特定的官能基—COOH接枝在碳布電極表面上的方式對(duì)微生物電合成系統(tǒng)的陰極電極材料進(jìn)行了改良，結(jié)果表明：經(jīng)過—COOH改良的陰極材料，在親水性上得到顯著加強(qiáng)，產(chǎn)氫速率和乙酸累積濃度也要明顯高于改良前。此外Le等[29]將氧化亞銅薄膜貼附在陰極表面，發(fā)現(xiàn)通過這種改性方法電還原CO2獲得的甲醇產(chǎn)率和法拉第效率明顯高于普通的銅電極。在電極改造方面，碳材料憑借其廉價(jià)易得、具有良好的電催化性能等優(yōu)點(diǎn)而廣受青睞。2010年Nevin首次使用石墨塊電極成功構(gòu)建了微生物電合成系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性對(duì)微生物電合成系統(tǒng)有著積極的影響[30]。Liu等[31]在微生物電合成產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中放入經(jīng)過熱處理的不銹鋼碳刷，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱處理之后的不銹鋼比未經(jīng)過熱處理的不銹鋼有著更高的電流密度和產(chǎn)甲烷速率。

4 運(yùn)行條件對(duì)微生物電合成系統(tǒng)的影響

MES是當(dāng)前固定和利用CO2的技術(shù)手段中較為高效和清潔的，其原理是在外加電勢(shì)的條件下，通過系統(tǒng)內(nèi)微生物的催化作用，以CO2為原始底物產(chǎn)生甲烷和一系列高附加值的多元揮發(fā)性有機(jī)酸(VFAs)，其反應(yīng)結(jié)果受多種條件的制約，例如反應(yīng)的溫度，pH值，外加電勢(shì)的大小，系統(tǒng)內(nèi)微生物的種類等，不同條件的變化會(huì)引起不同程度的反應(yīng)進(jìn)度及產(chǎn)物產(chǎn)率變化。

4.1 溫度

利用MES技術(shù)產(chǎn)生多元揮發(fā)性有機(jī)酸的因素有許多，溫度在其中起著至關(guān)重要的作用。溫度不僅影響電化學(xué)體系的物理性質(zhì)，同時(shí)還與功能微生物的代謝有密切關(guān)系，對(duì)微生物的生化反應(yīng)速率也有著很大影響[32]。過高的溫度會(huì)顯著提高微生物電合成體系的厭氧消化過程，引起諸如病原體死亡率增大等不利影響，從而不利于微生物的代謝[33]；溫度過低則會(huì)導(dǎo)致污泥活性較低，電子傳遞效率低，甲烷產(chǎn)率低，運(yùn)營成本增加等不利條件[34]。因此，要控制合適的溫度來提高產(chǎn)甲烷的速率。依據(jù)不同的產(chǎn)甲烷菌對(duì)于溫度的喜好程度，可以分為喜好20 ℃～25 ℃ 的嗜冷菌、喜好30 ℃～45 ℃的中溫菌、喜好 55 ℃～65 ℃的嗜熱菌還有少量喜好75 ℃以上的極端嗜熱菌[35]，其中中溫型產(chǎn)甲烷菌占絕大多數(shù)。目前關(guān)于MES的研究大多集中在25 ℃～65 ℃的溫度條件下。鮑白翎等[36]的實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度由15 ℃增加到50 ℃時(shí)，MES中甲烷的產(chǎn)量從0.80±0.08 mmol增加到2.06±0.13 mmol，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度持續(xù)增加到65 ℃及 70 ℃ 時(shí)，甲烷的總產(chǎn)量分別為1.58±0.12 mmol和0.77±0.07 mmol。甲烷整體產(chǎn)量隨著溫度的上升呈現(xiàn)先增高后下降的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：對(duì)于產(chǎn)甲烷的微生物電合成系統(tǒng)最適宜的溫度是在 35 ℃～50 ℃之間。

4.2 外加電勢(shì)

當(dāng)前研究表明，外加電勢(shì)對(duì)電輔助微生物合成甲烷系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷的機(jī)制、功能微生物的代謝和系統(tǒng)的庫倫效率等多方面都有著非常重要的影響。過高或者過低的陰極電勢(shì)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的電化學(xué)功能微生物中生長代謝酶的減少，很大程度上阻礙了物質(zhì)合成和能量代謝的發(fā)生，嚴(yán)重的情況下，甚至?xí)沟眉?xì)胞破損。在微生物電合成產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中，外加電勢(shì)的主要影響集中于系統(tǒng)內(nèi)功能微生物組成的影響。西南大學(xué)的王輝等[34]在低溫(15 ℃)條件下，通過使用微生物電合成系統(tǒng)處理有機(jī)廢水產(chǎn)甲烷的實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：接入外加電勢(shì)對(duì)微生物電合成系統(tǒng)產(chǎn)生甲烷的能力有顯著的提高，系統(tǒng)陽極上累積的產(chǎn)甲烷量要高于陰極。通過分析氣體組分發(fā)現(xiàn)，MES陽極的甲烷濃度相比于陰極的甲烷濃度較低，二氧化碳濃度則較高。Villano等[6]的研究表明，當(dāng)陰極電勢(shì)更偏向于正時(shí)(即大于-0.65 V vs SHE)，產(chǎn)甲烷菌可以通過直接胞外電子傳遞的方式從陰極電極表面獲取電子并還原CO2產(chǎn)甲烷，而當(dāng)陰極電勢(shì)更偏向于負(fù)時(shí)(即小于-0.65 V vs SHE)，除了可以直接從電極表面獲得電子還原CO2外，還可以先在陰極合成H2，然后利用H2還原CO2產(chǎn)甲烷。鮑白翎等[37]在研究不同電勢(shì)條件下甲烷的生成時(shí)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)甲烷量和速率都是隨著陰極電勢(shì)的降低而逐漸升高，但是當(dāng)陰極電勢(shì)繼續(xù)降低至-1.0 V甚至更負(fù)時(shí)，產(chǎn)甲烷量和速率開始減小，繼續(xù)降低陰極電勢(shì)直至MES不再產(chǎn)生甲烷。一方面是因?yàn)檫^大的電勢(shì)會(huì)對(duì)微生物電合成系統(tǒng)內(nèi)功能微生物的細(xì)胞膜產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重的情況下甚至破壞細(xì)胞膜；另一方面，隨著陰極電勢(shì)的逐漸降低，氫氣、乙酸等副產(chǎn)物不斷累積，抑制了系統(tǒng)產(chǎn)甲烷的能力。因此，控制合適的外加電壓是微生物電合成產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中的核心要素之一。

4.3 pH值

pH值已經(jīng)被證明是影響甲烷產(chǎn)量的一個(gè)重要因素。較高的pH值會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)甲烷的能力起到一定的抑制作用，實(shí)踐中保持溶液的pH值穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)恒定的水平，有利于MES中甲烷的產(chǎn)生。前人的研究表明，中性pH值的環(huán)境更有利于甲烷的產(chǎn)生，然而系統(tǒng)后期甲烷的生成速率會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)殡m然中性pH值環(huán)境有助于產(chǎn)甲烷菌的生長代謝，但隨著副產(chǎn)物乙酸的不斷積累，產(chǎn)甲烷菌的活性受乙酸濃度的升高而被抑制，但是產(chǎn)甲烷菌不至于失活。如果系統(tǒng)在弱酸性的環(huán)境下，則給多鏈脂肪酸等副產(chǎn)物(如丁酸)的生成提供了更適宜的條件[6,38]。天津工業(yè)大學(xué)的王玉峰[39]在探究陰極室pH對(duì)MES的影響的實(shí)驗(yàn)中得到在恒定pH值的條件下，MES的電流密度下降速度要比非恒定的pH值條件下更加緩慢，使得系統(tǒng)陽極可以更高效地利用有機(jī)物為系統(tǒng)陰極提供充足的電子使用，使得系統(tǒng)的運(yùn)行更加高效。鮑白翎[37]的研究表明，在溫度為50 ℃的條件下，系統(tǒng)內(nèi)的H+快速消耗，系統(tǒng)pH值也隨之上升，當(dāng)系統(tǒng)pH值上升至一定程度后不再產(chǎn)生甲烷，重新調(diào)整培養(yǎng)液pH值至6.64后系統(tǒng)繼續(xù)產(chǎn)出甲烷。這一現(xiàn)象證明了MES的產(chǎn)甲烷能力會(huì)隨著系統(tǒng)內(nèi)培養(yǎng)液pH值的升高而被抑制。此外有研究表明，在添加外源氫氣的情況下，系統(tǒng)內(nèi)嗜氫產(chǎn)甲烷菌的代謝會(huì)被促進(jìn)，從而使得抑制產(chǎn)甲烷的pH值臨界點(diǎn)被抬高[40]。

4.4 產(chǎn)甲烷菌

產(chǎn)甲烷菌作為MES的重要組成部件之一，占據(jù)著至關(guān)重要的位置。MES主要是通過某些類型的細(xì)菌可以與陰極電極表面相互作用，使其附著在陰極表面充當(dāng)電子供體[41]。微生物種類的不同可以導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)甲烷速率和捕獲電子能力存在很大差異。目前在微生物電合成產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)甲烷菌主要包括甲烷桿菌目和甲烷八疊球菌目。2009年,Cheng等[25]首次使用產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行微生物電合成，得出結(jié)論：在陰極電勢(shì)低于-0.8V的條件下，以二氧化碳作為原料，系統(tǒng)內(nèi)甲烷的生成速率為 200 mmol·m-2，庫倫效率高達(dá)96%。Villano等[6]選擇嗜氫型產(chǎn)甲烷菌作為生物陰極催化劑還原二氧化碳同樣在系統(tǒng)中獲得了甲烷。需要注意的是，部分微生物具備產(chǎn)電能力，卻不具備電子傳輸能力，因此需要一些其他微生物協(xié)同進(jìn)行電子運(yùn)輸，所以系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌常以混菌的形式出現(xiàn)。多位前人的研究得出，良好的系統(tǒng)內(nèi)微生物應(yīng)具備良好的產(chǎn)電能力、化學(xué)穩(wěn)定性，良好的生物兼容性以確保不會(huì)與系統(tǒng)內(nèi)其他微生物發(fā)生反應(yīng)，比表面積要確保能與溶液充分接觸以及低成本、平價(jià)易得等優(yōu)點(diǎn)。

4.5 庫倫效率

庫倫效率是指示微生物電合成系統(tǒng)捕捉和利用電子的指標(biāo)[42]。目前的研究基本確認(rèn)微生物電合成系統(tǒng)理想的庫倫效率在23.1%～96%區(qū)間內(nèi)。正如前文所述，系統(tǒng)內(nèi)會(huì)有一部分電子用來合成系統(tǒng)內(nèi)的一些副產(chǎn)物如氫氣、揮發(fā)性脂肪酸等，這也是導(dǎo)致系統(tǒng)庫倫效率無法到達(dá)100%的主要原因[12]。因此，在提高微生物電合成系統(tǒng)的庫倫效率方面，現(xiàn)在學(xué)者們的研究重點(diǎn)主要集中在通過抑制該生物電合成系統(tǒng)中副產(chǎn)物的產(chǎn)生的方式以提高效率。鮑白翎等的實(shí)驗(yàn)證明：甲烷的庫倫效率的大小隨著溫度的升高呈正態(tài)分布形式，電子利用效率最高的區(qū)間主要集中在20 ℃～50 ℃之間，這也和大多數(shù)的產(chǎn)甲烷菌是中溫菌有關(guān)系[37]。有實(shí)驗(yàn)證明：在不同的電勢(shì)梯度條件下，給定恒定的外加電勢(shì)，在反應(yīng)的過程中，溶液的pH值逐漸增大導(dǎo)致微生物電合系統(tǒng)內(nèi)阻增大，引起系統(tǒng)電流的減小，因此系統(tǒng)的庫倫效率也隨之減小，可以得出庫倫效率的大小還可能與溶液的pH值相關(guān)[36]。同時(shí)，除了外加電勢(shì)所提供提供的電量之外，有些電活性微生物本身可能也能夠提供電量，但是這部分的研究目前還有些欠缺。

5 微生物電合成系統(tǒng)與厭氧發(fā)酵系統(tǒng)耦合產(chǎn)甲烷

厭氧發(fā)酵是一個(gè)綜合性的化學(xué)反應(yīng)過程，參與反應(yīng)的各種微生物在系統(tǒng)內(nèi)建立一個(gè)完整的有機(jī)生態(tài)系統(tǒng)，并形成互養(yǎng)共生的關(guān)系。厭氧發(fā)酵系統(tǒng)可以分為四個(gè)階段，分別是：水解、發(fā)酵、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)物甲烷化。在產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)甲烷菌將系統(tǒng)內(nèi)的乙酸、丙酸、丁酸和乙醇等小分子有機(jī)物作為代謝原料并生成甲烷[43,44]。微生物的活性直接決定了厭氧發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)甲烷能力的強(qiáng)弱，傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)存在著反應(yīng)速率低、反應(yīng)周期長、反應(yīng)產(chǎn)生大量副產(chǎn)物而導(dǎo)致尾液pH值過低抑制產(chǎn)甲烷菌活性，最終導(dǎo)致產(chǎn)甲烷效率低等問題[45]。而通過厭氧發(fā)酵系統(tǒng)耦合微生物電合成系統(tǒng)的方式，可以利用微生物電合成系統(tǒng)大量消耗氫離子從而放緩尾液中pH值的下降速度，最終達(dá)到加快降解速率、提高系統(tǒng)產(chǎn)甲烷能力的目的[46,47]。

微生物電合成系統(tǒng)耦合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)作為一項(xiàng)有著很廣闊的應(yīng)用前景的技術(shù)，近年來的研究也是蓬勃發(fā)展，如2016年，Ding等[48]通過實(shí)驗(yàn)明確了不同的外加電勢(shì)條件下，對(duì)微生物電合成系統(tǒng)偶耦合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷效率和微生物活性的影響，闡明了外加電勢(shì)是影響系統(tǒng)產(chǎn)甲烷效率的一項(xiàng)重要的影響因素。2017年Cerrillo等[49]對(duì)比了不同生物質(zhì)溶液中培養(yǎng)的微生物電合成系統(tǒng)在產(chǎn)沼氣方面的降解效率，最終得出結(jié)論：與厭氧發(fā)酵系統(tǒng)耦合的微生物電合成系統(tǒng)產(chǎn)甲烷效率最為理想。Dou等[50]在2018年對(duì)比經(jīng)過厭氧發(fā)酵與微生物電合成系統(tǒng)的耦合處理的食物殘?jiān)鼜U液和單純厭氧發(fā)酵處理的食物殘?jiān)海l(fā)現(xiàn)前者在速度上提高近170%。此外，在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)耦合微生物電合成系統(tǒng)中，有大量研究通過提高電極性能來實(shí)現(xiàn)提高整體系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷能力，目前主要通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和對(duì)電極表面進(jìn)行改性處理兩種手段來實(shí)現(xiàn)對(duì)電極性能的提升[51]。前人研究表明，用帶有正電荷的物質(zhì)對(duì)陽極表面進(jìn)行修飾，可以通過提高電極表面微生物負(fù)載量的方式提高陽極性能，進(jìn)而提高耦合系統(tǒng)降解能力和產(chǎn)電能力[52]。在陰極方面，Zhang等[53]通過使用不同材料修飾陰極，提高了產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段產(chǎn)乙酸菌在陰極的產(chǎn)乙酸能力，為甲烷化階段提供了更為充足的原料，系統(tǒng)的產(chǎn)甲烷能力和降解能力也得到優(yōu)化。

6 總結(jié)與展望

MES作為一項(xiàng)清潔、高效的電化學(xué)技術(shù)有著很廣闊的應(yīng)用前景，二氧化碳的控制與減排是人類社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，微生物電合成系統(tǒng)的發(fā)展也為力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)起著積極的推動(dòng)作用。二氧化碳是微生物電合成系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，當(dāng)前的研究聚焦于如何通過微生物系統(tǒng)來固定二氧化碳并使其轉(zhuǎn)化為高附加值的有機(jī)化合物產(chǎn)品，多數(shù)為甲烷、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物，其中又以甲烷的研究最為廣泛。近年來，環(huán)境、能源及相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者做過多種研究來提高M(jìn)ES系統(tǒng)的產(chǎn)率和目標(biāo)產(chǎn)物的累積濃度，盡可能最大化地得到理想的產(chǎn)物。同時(shí)MES系統(tǒng)技術(shù)受制于多種影響因素，如CO2的供給方式,系統(tǒng)內(nèi)微生物群落的選擇，系統(tǒng)外加電勢(shì)的調(diào)控等等，時(shí)代的發(fā)展也給微生物電合成系統(tǒng)的深度探究帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在未來，學(xué)者們將進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的工程效率作為生物催化劑的反應(yīng)器，爭(zhēng)取克服可能受到限制的因素。隨著技術(shù)的發(fā)展，適應(yīng)性強(qiáng)的生物催化劑將成為未來的研究熱點(diǎn)，追求更大更高效的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，以及能夠承受更極端的溫度，鹽度和壓力等運(yùn)行條件也將是研究的目標(biāo)。

MES系統(tǒng)處理二氧化碳的研究已經(jīng)得到了許多具有價(jià)值的數(shù)據(jù),但目前的研究成果還未達(dá)到商業(yè)化所期望的穩(wěn)定性質(zhì)。本文討論了MES系統(tǒng)當(dāng)前的一些主要研究的方向和運(yùn)行條件對(duì)MES系統(tǒng)的影響,目前MES的研究仍主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，相信經(jīng)過學(xué)者們的不斷優(yōu)化，可以提高M(jìn)ES系統(tǒng)的商業(yè)可行性，最終可以實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)作為一種平價(jià)、易得、高效、綠色的CO2的處理手段。