一种促进微生物电化学转化二氧化碳产甲烷的方法

本发明涉及一种促进微生物电化学转化二氧化碳产甲烷的方法，包括以下步骤：1)构建包含阴极池与阳极池的微生物电解池，阴极池中设有工作电极与参比电极，阳极池中设有对电极，阴极池与阳极池之间通过质子交换膜隔开；2)阴极池与阳极池中均加入产甲烷菌培养基；3)阴极池中加入氧化还原物质；4)阴极池中接种产甲烷菌液并培养；5)阴极池加载电压；6)由阴极池顶空收集甲烷。与现有技术相比，本发明通过在阴极池中加入氧化还原物质，利用其自身不断的氧化还原反应促进电子由电极到产甲烷菌的传递，由此提高产甲烷速率；本发明具有操作简单、甲烷产率高、无其他副产物等优点。

技术领域

本发明属于二氧化碳资源化技术领域，涉及一种促进微生物电化学转化二氧化碳产甲烷的方法。

背景技术

自工业革命以来，人类的生产活动显著的增加了大气中CO2的含量。CO2作为主要的温室气体之一，其在大气中含量的增长可能导致全球变暖和气候极端事件增加。如何减少大气中CO2的含量，甚至将其转化为高附加值的化学品成为一个全球研究的热点。常见的转化方法包含化学转化和生物转化。化学法往往需要高温高压和催化剂，与之相比，生物转化可以在室温常压条件下发生，反应条件温和，有着广阔的应用前景。

利用微生物将CO2电化学转化为甲烷已有研究和报道。Hara等人(Mechanism ofElectromethanogenic Reduction of CO2by a Thermophilic Methanogen,EnergyProcedia,2013,37:7021-7028)采用由碳层包裹的碳纸作为工作电极，嗜热产甲烷菌模式菌株作为接种物，产甲烷速率约为0.0163μmol/(cm2·h)；Lohner等人(Hydrogenase-independent uptake and metabolism of electrons by the archaeon Methanococcus,The ISME Journal,2014,8:1673-1681)采用石墨棒作为工作电极，Methanococcusmaripaludis纯菌作为接种物，产甲烷速率约为0.051μmol/(cm2·h)；Pascal等人(Selective microbial electrosynthesis of methane by a pure culture of amarine lithoautotrophic archaeon,Bioelectrochemistry,2015,102:50-55)采用石墨作为工作电极，Methanobacterium-like archaeon strain IM1纯菌作为接种物，产甲烷速率为0.0146μmol/(cm2·h)。

中国专利CN109022495A公开了一种微生物还原二氧化碳产甲烷的方法，包括以下步骤：1)构建包含阴极池和阳极池的微生物电解池，阴极池中包含工作电极、参比电极；阳极池包括对电极；阴极池和阳极池之间用质子交换膜隔开；2)阴极池和阳极池中加入产甲烷菌培养基；3)阴极池中接种1.5-5.0％产甲烷菌菌液；在室温条件下培养；4)阴极池加载-0.6V(vs SHE)电压；5)由阴极池顶空收获甲烷。该方法78小时的产甲烷量可以累积8.453μmol，相同条件下碳布电极的产甲烷量可累积到6.370μmol，总体来说提升之后的产甲烷速率为0.0181μmol/(cm2·h)。

由此可见，现有技术产甲烷速率仍然很低，这已经成为该技术工业化应用的一个主要限制因素。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种促进微生物电化学转化二氧化碳产甲烷的方法。

本发明针对CO2电化学转化生成甲烷的转化速率低的问题而提出的一种促进微生物电化学转化CO2产甲烷的方法。本发明主要通过引入氧化还原物质提高甲烷的生成速率。

本发明的目的是建立一种微生物电化学还原CO2产甲烷的方法，通过利用氧化还原物质作为电子传递媒介来提高生物电化学转化CO2产甲烷的速率，所用的氧化还原物质是在自然界中天然存在或是可以通过微生物自身分泌的，因此相对于通过浓缩微生物、或在阳极添加额外催化剂、或采用特殊电极来提高产甲烷速率的方法，本方法的成本相对较低。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种促进微生物电化学转化二氧化碳产甲烷的方法，包括以下步骤：

1)构建包含阴极池与阳极池的微生物电解池，阴极池中设有石墨毡电极或碳布电极作为工作电极、Ag/AgCl电极作为参比电极，阳极池中设有铂对电极，阴极池与阳极池之间通过N117质子交换膜隔开；

2)阴极池与阳极池中均加入产甲烷菌培养基；

3)阴极池中加入氧化还原物质；

4)阴极池中接种10-50％产甲烷菌液并培养；

5)阴极池加载-0.6V至-1.0V(vs SHE)的电压；

6)由阴极池顶空收集甲烷，并用气相色谱仪检测顶空气体中甲烷含量。

进一步地，所述的产甲烷菌培养基的配方如下：0.3-0.4g/L K2HPO4、0.2-0.25g/LKH2PO4、0.4-0.6g/L NH4Cl、0.4-0.6g/L MgSO4·7H2O、0.2-0.3g/L CaCl2、2-2.5g/L NaCl、0.5-1g/L NaHCO3、8-12mL/L微量元素溶液和0.5-2mL/L维生素溶液；

所述的微量元素溶液的配方如下：1000-2000mg/L FeCl2·4H2O、50-80mg/LZnCl2、80-120mg/L MnCl2·4H2O、4-8mg/L HBO3、150-220mg/L CoCl2·6H2O、1.5-3mg/LCuCl2·H2O、20-30mg/L NiCl2·6H2O、30-40mg/L NaMo4·2H2O与8-13mL/L HCl水溶液；所述的HCl水溶液为质量百分数为20-30％的HCl水溶液；

所述的维生素溶液的配方如下：1-3mg/L生物素、1-3mg/L叶酸、8-13mg/L维生素B6、3-8mg/L维生素B1、3-8mg/L维生素B2、3-8mg/L烟碱酸、3-8mg/L泛酸、0.05-0.15mg/L维生素B12、3-8mg/L氨基苯甲酸和3-8mg/L硫辛酸。

进一步地，步骤3)中，所述的氧化还原物质包括蒽醌-2,6-二磺酸钠盐、蒽醌-2-羧酸、蒽醌-2-磺酸钠或硫堇中的一种或几种，所述的氧化还原物质在阴极池内的浓度为0.1-0.75mmol/L，该浓度是在大量实验基础上确定的有效的浓度范围，如果超出该浓度范围内，则加入氧化还原物质后，对产甲烷的促进效果会不明显。

作为优选的技术方案，所述的氧化还原物质加入前先进行高温灭菌。

进一步地，步骤4)中，所述的产甲烷菌包括巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcinabarkeri)、布氏甲烷菌(Methanobacterium byrantti)或亨氏甲烷螺菌(Methanospirillumhungatei)中的一种或几种。

进一步地，步骤4)中，产甲烷菌液的接种量为10-50％。经大量研究表明，用微生物促进CO2转化的实验，在菌液接种量为10-50％较为适宜，若增大接菌量，会导致成本过高。

作为优选的技术方案，所述的产甲烷菌液为产甲烷菌单菌，以避免生成其他产物。

进一步地，转化过程在室温至37℃下进行。室温至37℃是产甲烷菌生长的最适温度，当温度过高或过低时，微生物的新陈代谢会减慢，甚至死亡。

进一步地，阴极池加载-0.6V至-1.0V(vs SHE)的电压。当电压高于该范围时，电子传递多为直接电子传递途径，利用到氧化还原物质的机会较少；当电压低于该范围时，产甲烷菌的活性会逐渐降低，不利于CO2的转化。

转化过程前，向微生物电解池的顶空充入CO2气体；转化过程结束后，用气相色谱仪检测顶空气体中甲烷含量。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明通过在阴极池中加入氧化还原物质，利用其自身不断的氧化还原反应促进电子由电极到产甲烷菌的传递，由此提高产甲烷速率；

2)本发明具有操作简单、甲烷产率高、无其他副产物等优点。

附图说明

图1为实施例1中微生物电解池的结构示意图。

图中标记说明：

1—电源、2—对电极、3—参比电极、4—工作电极、5—产甲烷菌培养基、6—质子交换膜、7—产甲烷菌。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

该实施例分为实验组A和对照组B同时进行。

实验组A如图1所示。微生物电解池包括阴极池和阳极池，其中阴极池内设有参比电极3、工作电极4、产甲烷菌7和产甲烷菌培养基5，阳极池内设有对电极2，阴极池和阳极池之间设有N117质子交换膜6，还设有电源1分别连接参比电极3、工作电极4和对电极2。在本实例中产甲烷菌7为Methanosarcina barkeri。参比电极3为Ag/AgCl电极，对电极2为铂对电极2，工作电极4为石墨毡电极。

产甲烷菌培养基5的配方如下：0.35g/L K2HPO4、0.23g/L KH2PO4、0.5g/L NH4Cl、0.5g/L MgSO4·7H2O、0.25g/L CaCl2、2.25g/L NaCl、0.85g/L NaHCO3、10mL/L微量元素溶液和1mL/L维生素溶液。

其中，微量元素溶液的配方如下：1500mg/L FeCl2·4H2O、70mg/L ZnCl2、100mg/LMnCl2·4H2O、6mg/L HBO3、190mg/L CoCl2·6H2O、2mg/L CuCl2·H2O、24mg/L NiCl2·6H2O、36mg/L NaMo4·2H2O与10mL/L 20-30％HCl水溶液；维生素溶液的配方如下：2mg/L生物素、2mg/L叶酸、10mg/L维生素B6、5mg/L维生素B1、5mg/L维生素B2、5mg/L烟碱酸、5mg/L泛酸、0.1mg/L维生素B12、5mg/L氨基苯甲酸和5mg/L硫辛酸。

采用上述装置还原CO2为甲烷的方法如下：

在实验组A中，先在阴极池中加入40mL产甲烷菌培养基5，然后在产甲烷菌培养基5中加入经过高温灭菌的0.50mmol/L的蒽醌-2,6-二磺酸钠；在阴极池中接入20mL(接种量33％)的Methanosarcina barkeri菌液，顶空充满CO2气体，工作电极4为石墨毡电极。将工作电极4的电势调整到-0.85V(vs SHE)，在室温下进行反应。

在对照组B中，在阴极池中加入40mL产甲烷菌培养基5，未在阴极池中添加蒽醌-2,6-二磺酸钠盐；然后在阴极池中接入20mL(33％)的Methanosarcina barkeri菌液，顶空充满CO2气体。工作电极4为石墨毡电极。将工作电极4的电势调整到-0.85V(vs SHE)，于室温下进行反应。

96小时后两组实验的顶空气体成分使用气相色谱仪测定。结果为A组的甲烷产量为79.15μmol，平均的产甲烷速率为0.14μmol/(cm2·h)；B组的甲烷产量为24.98μmol，平均的产甲烷速率为0.043μmol/(cm2·h)。可以看出在相同条件下，本发明提高了产甲烷速率。

实施例2：

该实例分为实验组A和对照组B同时进行。

实验组A如图1所示。在阴极池中加入50mL产甲烷菌培养基5，然后在产甲烷菌培养基5中加入经过高温灭菌的0.25mmol/L的蒽醌-2-磺酸钠；在阴极池中接入10mL(接种量16.7％)的Methanobacterium byrantti菌液，顶空充满CO2气体。工作电极4为碳布电极。将工作电极4的电势调整到-0.6V(vs SHE)，于32℃下进行反应。

在对照组B中，在阴极池中加入50mL产甲烷菌培养基5，未在阴极池中添加蒽醌-2-磺酸钠；然后在阴极池中接入10mL(16.7％)的Methanobacterium byrantti菌液，顶空充满CO2气体。工作电极4为碳布电极。将工作电极4的电势调整到-0.6V(vs SHE)，于32℃下进行反应。

96小时后两组实验的顶空气体成分使用气相色谱仪测定。结果为A组的甲烷产量为42.35μmol，平均的产甲烷速率为0.074μmol/(cm2·h)；B组的甲烷产量为10.25μmol，平均的产甲烷速率为0.018μmol/(cm2·h)。可以看出在相同条件下，本发明提高了产甲烷速率。

实施例3：

该实例分为实验组A和对照组B同时进行。

实验组A如图1所示。在阴极池中加入30mL产甲烷菌培养基5，然后在产甲烷菌培养基5中加入经过高温灭菌的0.10mmol/L的蒽醌-2-羧酸；在阴极池中接入30mL(接种量50％)的Methanosarcina barkeri菌液，顶空充满CO2气体。工作电极4为石墨毡电极。将工作电极4的电势调整到-0.95V(vs SHE)，于35℃下进行反应。

在对照组B中，阴极池中加入30mL产甲烷菌培养基5，未在阴极池添加中蒽醌-2-羧酸；然后在阴极池中接入30mL(50％)的Methanosarcina barkeri菌液，顶空充满CO2气体。工作电极4为石墨毡电极。将工作电极4的电势调整到-0.95V(vs SHE)，于35℃下进行反应。

96小时后两组实验的顶空气体成分使用气相色谱仪测定。结果为A组的甲烷产量为124.35μmol，平均的产甲烷速率0.22μmol/(cm2·h)；B组的甲烷产量为20.54μmol，平均的产甲烷速率为0.036μmol/(cm2·h)。可以看出在相同条件下，本发明提高了产甲烷速率。

实施例4：

该实例分为实验组A和对照组B同时进行。

实验组A如图1所示。在阴极池中加入54mL产甲烷菌培养基5，然后在产甲烷菌培养基5中加入经过高温灭菌的0.50mmol/L的蒽醌-2,6-二磺酸钠；在阴极池中接入6mL(接种量10％)的Methanosarcina barkeri菌液，顶空充满CO2气体。工作电极4为碳布电极。将工作电极4的电势调整到-1.0V(vs SHE)，于室温下进行反应。

在对照组B中，在阴极池中加入54mL产甲烷菌培养基5，未在阴极池中添加蒽醌-2,6-二磺酸钠盐；然后在阴极池中接入6mL(10％)的Methanosarcina barkeri菌液，顶空充满CO2气体。工作电极4为碳布电极。将工作电极4的电势调整到-1.0V(vs SHE)，于室温下进行反应。

96小时后两组实验的顶空气体成分使用气相色谱仪测定。结果为A组的甲烷产量为66.43μmol，平均的产甲烷速率为0.12μmol/(cm2·h)；B组的甲烷产量为25.26μmol，平均的产甲烷速率为0.044μmol/(cm2·h)。可以看出在相同条件下，本发明提高了产甲烷速率。

实施例5：

该实例分为实验组A和对照组B同时进行。

实验组A如图1所示。在阴极池中加入40mL产甲烷菌培养基5，然后在产甲烷菌培养基5中加入经过高温灭菌的0.75mmol/L的硫堇；在阴极池中接入20mL(接种量33％)的Methanospirillum hungatei菌液，顶空充满CO2气体。工作电极4为石墨毡电极。将工作电极4的电势调整到-0.9V(vs SHE)，于室温下进行反应。

在对照组B中，在阴极池中加入40mL产甲烷菌培养基5，未在阴极池中添加硫堇；然后在阴极池中接入20mL(33％)的Methanospirillum hungatei菌液，顶空充满CO2气体。工作电极4为石墨毡电极。将工作电极4的电势调整到-0.9V(vs SHE)，于室温下进行反应。

96小时后两组实验的顶空气体成分使用气相色谱仪测定。结果为A组的甲烷产量为22.68μmol，平均的产甲烷速率为0.039μmol/(cm2·h)；B组的甲烷产量为21.55μmol，平均的产甲烷速率为0.037μmol/(cm2·h)。可以看出在相同条件下，本发明提高了产甲烷速率。

实施例6：

该实例分为实验组A和对照组B同时进行。

实验组A如图1所示。在阴极池中加入40mL产甲烷菌培养基5，然后在产甲烷菌培养基5中加入经过高温灭菌的0.10mmol/L蒽醌-2-羧酸；在阴极池中接入20mL(接种量33％)的Methanosarcina barkeri菌液，顶空充满CO2气体。工作电极4为碳布电极。将工作电极4的电势调整到-0.80V(vs SHE)，于37℃下进行反应。

在对照组B中，在阴极池中加入40mL产甲烷菌培养基5，未在阴极池中添加蒽醌-2-羧酸；然后在阴极池中接入20mL(33％)的Methanosarcina barkeri菌液，顶空充满CO2气体。工作电极4为碳布电极。将工作电极4的电势调整到-0.80V(vs SHE)，于37℃下进行反应。

96小时后两组实验的顶空气体成分使用气相色谱仪测定。结果为A组的甲烷产量为101.59μmol，平均的产甲烷速率为0.18μmol/(cm2·h)；B组的甲烷产量为21.98μmol，平均的产甲烷速率为0.038μmol/(cm2·h)。可以看出在相同条件下，本发明提高了产甲烷速率。

实施例7：

微生物电解池包括阴极池和阳极池，其中阴极池内设有参比电极3、工作电极4、产甲烷菌7和产甲烷菌培养基5，阳极池内设有对电极2，阴极池和阳极池之间设有N117质子交换膜6，还设有电源1分别连接参比电极3、工作电极4和对电极2。在本实例中产甲烷菌7为Methanosarcina barkeri。参比电极3为Ag/AgCl电极，对电极2为铂对电极2，工作电极4为石墨毡电极。

产甲烷菌培养基5的配方如下：0.3g/L K2HPO4、0.2g/L KH2PO4、0.4g/L NH4Cl、0.4g/L MgSO4·7H2O、0.2g/L CaCl2、2g/L NaCl、0.5g/L NaHCO3、8mL/L微量元素溶液和0.5mL/L维生素溶液；

微量元素溶液的配方如下：1000mg/L FeCl2·4H2O、50mg/L ZnCl2、80mg/LMnCl2·4H2O、4mg/L HBO3、150mg/L CoCl2·6H2O、1.5mg/L CuCl2·H2O、20mg/L NiCl2·6H2O、30mg/L NaMo4·2H2O与8mL/L 20％HCl水溶液；

维生素溶液的配方如下：1mg/L生物素、1mg/L叶酸、8mg/L维生素B6、3mg/L维生素B1、3mg/L维生素B2、3mg/L烟碱酸、3mg/L泛酸、0.05mg/L维生素B12、3mg/L氨基苯甲酸和3mg/L硫辛酸。

采用上述装置还原CO2为甲烷的方法如下：

先在阴极池中加入40mL产甲烷菌培养基5，然后在产甲烷菌培养基5中加入经过高温灭菌的蒽醌-2,6-二磺酸钠与蒽醌-2-磺酸钠的等摩尔混合物，形成0.50mmol/L的氧化还原物质溶液；在阴极池中接入20mL(接种量33％)的Methanosarcina barkeri菌液，顶空充满CO2气体，工作电极4为石墨毡电极。将工作电极4的电势调整到-0.85V(vs SHE)，在室温下进行反应。

96小时后两组实验的顶空气体成分使用气相色谱仪测定。结果，甲烷产量为70.5μmol，平均的产甲烷速率为0.12μmol/(cm2·h)。

实施例8：

产甲烷菌培养基5的配方如下：0.4g/L K2HPO4、0.25g/L KH2PO4、0.6g/L NH4Cl、0.6g/L MgSO4·7H2O、0.3g/L CaCl2、2.5g/L NaCl、1g/L NaHCO3、12mL/L微量元素溶液和2mL/L维生素溶液；。

微量元素溶液的配方如下：2000mg/L FeCl2·4H2O、80mg/L ZnCl2、120mg/LMnCl2·4H2O、8mg/L HBO3、220mg/L CoCl2·6H2O、3mg/L CuCl2·H2O、30mg/L NiCl2·6H2O、40mg/L NaMo4·2H2O与13mL/L 30％HCl水溶液；

维生素溶液的配方如下：3mg/L生物素、3mg/L叶酸、13mg/L维生素B6、8mg/L维生素B1、8mg/L维生素B2、8mg/L烟碱酸、8mg/L泛酸、0.15mg/L维生素B12、8mg/L氨基苯甲酸和8mg/L硫辛酸。

采用上述装置还原CO2为甲烷的方法如下：

先在阴极池中加入40mL产甲烷菌培养基5，然后在产甲烷菌培养基5中加入经过高温灭菌的蒽醌-2,6-二磺酸钠盐、蒽醌-2-羧酸及蒽醌-2-磺酸钠的等摩尔混合物，形成0.50mmol/L的氧化还原物质溶液；在阴极池中接入20mL(接种量33％)的Methanosarcinabarkeri菌液，顶空充满CO2气体，工作电极4为石墨毡电极。将工作电极4的电势调整到-0.85V(vs SHE)，在室温下进行反应。

96小时后两组实验的顶空气体成分使用气相色谱仪测定。结果，甲烷产量为67.05μmol，平均的产甲烷速率为0.11μmol/(cm2·h)。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

上海六鉴投资顾问有限公司