這是一篇發表在《中國生物化學與分子生物學報》的生物化學論文，《中國生物化學與分子生物學報》(Chin J Biochem Mol Biol) (原名生物化學雜志)1985年創刊，是中國科學技術協會主管，中國生物化學與分子生物學會和北京大學共同主辦的國家生物學類/基礎醫學類核心期刊(月刊)。本刊被美國《化學文摘》(CA)、美國《生物學文摘》(BA)、俄羅斯《文摘雜志》(PJ)、世界衛生組織西太平洋地區醫學索引(WPRIM)和中國科技論文與引文數據庫(CSTPCD)、中國科學引文數據庫(CSCD)、《中文核心期刊要目總覽(第5版)》、《中國生物學文摘數據庫》、《中國期刊網》、《中國學術期刊(光盤版)全文數據庫》、《中國科技期刊精品數據庫》等檢索數據庫收錄。

　　生物電化學系統還原CO2合成燃料或有機化工產品近年來已成為環境微生物學的研究熱點。首先就生物電化學系統的工作原理、生物電化學系統還原CO2產甲烷的陰極功能微生物、生物電化學系統還原CO2產甲烷的機制、生物電化學系統的反應器及影響生物電化學系統還原CO2產甲烷的因素等方面的研究進展進行了綜述，然后分析了生物電化學系統還原CO2產甲烷存在的問題，并討論了其今后的重點研究方向，以期為生物電化學系統還原CO2產甲烷研究提供參考。

　　關鍵詞：生物電化學系統;二氧化碳捕集;生物燃料;生物催化;二氧化碳;甲烷

　　生物電化學系統(Bioelectrochemical systems，簡稱BESs)是利用微生物為催化劑，進行陽極氧化和(或)陰極還原的生物電化學技術[1]，近年來已成為環境微生物學研究的熱點。生物電化學系統還原CO2生產能源物質及有機化學品[210]是一種兼顧環境與能源問題的新技術，可在處理有機廢水及有機固體廢棄物的同時實現CO2向甲烷的高效轉化，既符合CO2減排的理念，又能實現CO2和有機廢棄物的資源化利用。2009年，Cheng等[2]首次以產甲烷菌作為生物電化學系統陰極催化劑還原CO2產生CH4，此研究為生物電化學系統的應用開拓了新的思路。此后，利用微生物作為生物電化學系統陰極催化劑還原CO2生產能源物質(如甲烷 [1113]和乙醇[1416])及有機化學品(如甲酸[17]、乙酸[4， 13， 1618]和2羰基丁酸[4， 17]、丁酸[19]、己酸和辛酸[20])引起了越來越多科研工作者的興趣。

　　本文就生物電化學系統工作原理、生物電化學系統還原CO2產甲烷陰極功能微生物、生物電化學系統還原CO2產甲烷機制、生物電化學系統反應器及影響生物電化學系統還原CO2產甲烷因素的研究等方面進行了綜述。

　　1生物電化學系統的基本結構與工作

　　原理

　　生物電化學系統包括微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)和微生物電解池(Microbial electrolysis Cell，MEC)。微生物燃料電池是以微生物為催化劑氧化有機質或無機物質，將化學能轉化為電能的裝置[21]。微生物電解池是以電能作為能量輸入、微生物為催化劑生產燃料和化學品的裝置[2223]。MEC工作原理如圖1所示：1)陽極室中

　　的微生物催化氧化有機物產生電子和質子(或陽極電解水產生O2、質子和電子);2)產生的電子傳遞至

　　陽極電極，然后經外電路傳遞至陰極電極，同時，質子經質子交換膜遷移至陰極;3)在陰極室，質子和電子在外加電壓的作用下結合產生氫氣或在外加電壓的作用下用于還原CO2合成低碳燃料(如甲烷、乙醇)和其他有機化學品(如乙酸等)。當還原CO2合成低碳燃料(如甲烷、乙醇)和其它有機化學品(如乙酸等)時一般都需要生物陰極催化劑，如產甲烷需要甲烷菌作為陰極催化劑。

　　2生物電化學系統還原CO2產甲烷的陰極功能微生物

　　陰極功能微生物的研究主要集中在利用分子生物學技術對電輔助生物產甲烷系統中獲得的陰極微生物的菌落結構進行解析，并分析其中的主要功能微生物。表1為目前文獻報道的電輔助生物產甲烷系統陰極中的微生物，其中富集獲得的陰極微生物一般都由產甲烷菌和細菌兩部分構成，而其中的產甲烷菌以嗜氫型甲烷桿菌屬(Methanobacterium sp.)為主[2， 12， 18， 2425]。

　　如Cheng等[2]分析其產甲烷生物電化學系統中陰極功能微生物包括M. palustre、M. boonei及M. hungatei等古菌，熒光原位雜交結果表明產甲烷菌為優勢菌，經熒光原位雜交及變性梯度凝膠電泳分析后發現功能菌為嗜氫型產甲烷菌M. palustre。Marshall等[18]以啤酒廢水接種微生物電解池陰極，在-0.59 V(versus NHE)的陰極電勢下富集獲得了含混合微生物的產甲烷生物陰極。產甲烷生物陰極的微生物群落包括與Methanobacterium sp.(>93%)和Methanobrevibacter(～5%)具有同源性的產甲烷菌及與Sphingobacteriales WCHB169科、Spirochaetaceae科及Synergistaceae科具有同源性的細菌，并認為Sphingobacteriales科的細菌可能催化生物電化學制氫。Van EertenJansen等[24]以處理釀酒廢水的上流式厭氧污泥床反應器中的厭氧污泥接種微生物電解池的陰極富集獲得了生物陰極。16S rRNA基因克隆文庫分析表明，生物陰極的微生物群落主要包括3個種系型古菌及6個種系型細菌。古菌種系型與M. palustre和M. aarhusense具有相似性，而體系中細菌的16S rRNA基因序列與Methylocystis sp. SC2 strain SC2、Acidovorax caeni strain R24608 或 Hydrogenophaga caeni strain EMB71、Desulfovibrio putealis strain B743、Petrimonas sulfuriphila strain BN3及Ottowia thiooxydans具有同源性。

　　目前，雖對生物電化學產甲烷系統陰極微生物有一定的研究，但對不同生境來源接種物接種生物電化學系統獲得的陰極功能微生物群落結構的異同、群落結構中產甲烷菌與傳統的以H2和CO2為底物生物合成甲烷的產甲烷菌間的關系及電活性產甲烷菌的共性都缺乏深入研究。現有研究接種物來源單一，今后應系統研究不同接種物接種生物電化學系統獲得的陰極微生物的群落結構，尤其是與產甲烷相關的功能微生物的異同，從而了解電活性產甲烷菌的共性，進而為高效電活性產甲烷菌的篩選提供理論依據。此外，應從分子水平探討陰極功能微生物中的產甲烷菌與傳統的H2/CO2營養性型產甲烷菌間的關系，即是否所有傳統H2 /CO2營養性型產甲烷菌都具備電活性或只有特殊部分具有。如目前已知產甲烷菌M. palustre既可以H2/CO2產甲烷，又可直接以H+、e-及CO2產甲烷[2]，兩種合成甲烷途徑在分子水平上具有哪些異同。

　　3生物電化學系統還原CO2產甲烷的機制

　　電輔助微生物還原CO2產甲烷機制有兩種解釋：1)在電輔助生物產甲烷系統的陰極電極表面產生了H2，然后附著在陰極電極表面的嗜氫型產甲烷菌以H2/CO2為底物合成甲烷;2)陰極功能微生物可以直接從陰極電極表面獲得電子還原二氧化碳產甲烷。如Van EertenJansen等[24]及Kobayashi等[26]的研究表明在電輔助生物產甲烷系統中，產氫細菌可以通過產生H2作為中間產物為產甲烷菌產甲烷提供H+和e-。Hara等[27]研究了純微生物M. thermautotrophicus strain ΔH作為生物電化學系統陰極功能微生物產甲烷的機制，結果表明產甲烷菌是利用陰極電極表面非生物電催化產生的H2合成甲烷，且電極的析氫反應是限速步驟。然而Cheng等[2]利用表面涂布有H2清除劑的陰極電極及線性掃描伏安技術研究了電輔助M.palustre還原CO2產甲烷的機制，結果表明系統中的陰極功能微生物M.palustre可以直接從陰極電極表面獲得電子還原CO2產甲烷，即CO2+8H++8e-→CH4+2H2O。但是 Villano等[12]的研究表明上述這兩種機制都存在，每種機制的相對貢獻高度依賴于所設置的陰極電位，當所設置的陰極電位較正時(>-650 mV vs. SHE)，陰極功能微生物可以直接從陰極電極表面獲得電子還原CO2產甲烷，然而當所設置的陰極電位較負時(-650 mV vs. SHE)，陰極功能微生物可以直接從陰極電極表面獲得電子還原CO2產甲烷，然而當所設置的陰極電位較負時(-650 mV)，產物基本上都為甲烷，然而當所設置的陰極電位較負時(-850～-950 mV(vs Ag/AgCl)時，隨著陰極電勢朝負方向遷移，產甲烷的速率逐漸增加，然而當所設置的陰極電位較負時-650 mV)，陰極電極表面沒有非生物電催化產生H2，然而當所設置的陰極電位較負時(<-650 mV)，陰極電極表面非生物電催化產生了H2的研究相一致[12]。此外，如果陰極電極為高析氫過電位材料(如鉛電極)時，此時陰極功能微生物直接從陰極電極表面獲得電子還原CO2產甲烷，這是因為在電極表面不會析出H2，陰極功能微生物無法以H2/CO2方式合成甲烷。因此，需系統研究由不同析氫過電位陰極材料構建的生物電化學系統產甲烷的特性。

　　5.3陰極功能微生物

　　陰極功能微生物性質對生物電化學系統還原CO2產甲烷的機制及產甲烷效率都具有影響。如果陰極功能微生物不具有納米導線或外膜細胞色素，則陰極功能微生物不具備從陰極電極直接接受電子的能力，只能以H2/CO2方式合成甲烷[27]。但是如果陰極功能微生物具有納米導線或外膜細胞色素，則陰極功能微生物具備從直接陰極電極表面獲得電子還原CO2產甲烷的能力，且這種方式產甲烷的效率要高于H2/CO2方式，因為它避免了H2擴散進入產甲烷菌胞內這一過程，同時不受H2在水中溶解度的影響。

　　5.4碳源

　　生物電化學系統還原CO2產甲烷研究都是以CO2作為碳源。自然界中CO2存在CO2、HCO-3及CO2-3三種形式，它們之間會隨著環境條件的變化而互相轉化。光合作用中，一般認為游離的CO2可以通過擴散直接穿過膜結構，而HCO-3和CO2-3不能[35]。有研究發現，不同形式的碳源對微藻生長影響顯著，當環境中HCO-3和CO2-3濃度較低時微藻會利用游離的CO2作為碳源，而當環境中HCO-3或CO2-3濃度較高時，部分 HCO-3和CO2-3會在胞外碳酸酐酶的作用下解離成CO2擴散進去，另一部分則依賴離子泵主動運輸進入，而胞內碳酸酐酶通過調節HCO-3和CO2之間的平衡，維持基質適宜pH[36]。在光合作用中，光能電解水產生電子和質子，產生的電子和質子將氧化態的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)還原為還原態的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)，NADH進一步為CO2的還原提供電子和質子。以CO2和H2為原料合成甲烷過程中，H2被氧化產生質子和電子，產生的電子將氧化態鐵氧還原蛋白(Fdox)還原為Fd2-red，Fd2-red進一步為CO2的還原提供還原力，這二者具有相似之處。因此，碳的類型對生物電化學系統還原CO2產甲烷可能也具有相類似的影響作用，但目前并沒有相關的研究報道。此外，在生物電化學系統中，陰極功能微生物對碳源的利用效率以及耐受能力也缺乏相關研究。在傳統H2/CO2營養型產甲烷系統中，系統提供的碳源一般無法改變(以CO2為主)，而在生物電化學系統中碳源可以改變。因此，系統研究碳源(CO2、NH4HCO3、NaHCO3及Na2CO3)對生物電化學系統產甲烷的影響有助于了解產甲烷的機制及提高產甲烷效率。

　　6展望

　　目前，電輔助生物產甲烷的研究主要集中在陰極微生物的分析和外加電壓對電輔助生物產甲烷系統產甲烷的影響，同時，對電輔助生物產甲烷系統產甲烷的機制進行了初步研究。但是，對不同生境來源接種物接種生物電化學系統獲得的陰極微生物在群落結構上的異同及群落結構中產甲烷菌與傳統的以H2和CO2 為底物生物合成甲烷的產甲烷菌間的關系缺乏深入研究。此外，對電活性產甲烷菌直接從陰極電極表面獲得電子還原CO2合成甲烷(即CO2+8H++8e- →2H2O+CH4)這一途徑的作用機制缺乏深入研究。因此，對生物電化學系統陰極功能微生物、陰極功能微生物與電極間電子傳遞機制、生物電化學系統還原 CO2產甲烷機制及碳源對產甲烷的影響等展開深入研究，既可為電輔助電活性產甲烷菌還原CO2合成CH4的研究奠定理論基礎，又可為電輔助微生物還原 CO2高效合成CH4的研究提供技術支持。