[发明专利]一种促进碳链延长微生物电合成有机酸的方法

说明书

本发明公开了一种促进碳链延长微生物电合成有机酸的方法，属于微生物电合成技术领域，包括：在微生物电合成系统的培养基中接种有驯化完全的碳链延长功能微生物混合菌群，并且在培养基中添加非致死浓度的纳米零价铁，培养基作为微生物电合成系统的阴极液使用；驯化完全的碳链延长功能微生物混合菌群，包括醋酸梭菌，永达尔菌或卵形链球菌中的至少一种；纳米零价铁的中位直径为40～100nm。本发明的方法能够以二氧化碳为底物电合成乙酸、丁酸和己酸，在筛选的最优条件下，碳链延长微生物合成乙酸、丁酸和己酸的最大浓度分别比对照组提高了16、3和7倍。该方法成本低廉、操作简单，且具备极大的环境效益和经济价值。

技术领域

本发明涉及微生物电合成技术领域，特别涉及一种促进碳链延长微生物电合成有机酸的方法。

背景技术

微生物电合成作为一种捕获、固定和利用二氧化碳生产化学品的新兴技术，具有以电能作为唯一的电子供体、电活性微生物作为催化剂等优势。微生物电合成系统一般由阴极室、阳极室和外部电源构成，两个反应室通过膜隔开。在外部电源的电场作用下，阳极通常作为电子或质子源发生有机物氧化或水氧化反应，阴极室内依靠外部连接的电子通路实现二氧化碳或其他氧化态物质的还原反应，产生胞外有机物、还原态无机物或微生物生长所需的有机物。该技术不同于普通的厌氧生物反应器，无需补充外源的电子供体，如乙醇、乳酸或合成气，即能通过上述反应过程实现二氧化碳向化学品的生产。因此，微生物电合成系统为构建绿色、节能和可持续的化学品生产平台创造了可能。

目前，微生物电合成系统转化二氧化碳主要是通过同型产乙酸代谢途径生成乙酸(中国专利文献，CN110484931A，CN108277239A)，少数研究通过调控阴极的氧化还原电位实现丁二酸的生产(中国专利文献，CN113215042A)。尽管乙酸和丁酸的生产已经实现了二氧化碳的固定和资源化，但是受限于乙酸和丁酸的完全混溶性，导致其很难从阴极液中被分离出来，一般又作为污水处理厂脱氮除磷的补充碳源被重新释放。近些年，通过碳链延长微生物催化短链挥发性脂肪酸转化为中链脂肪酸的技术备受关注。碳链延长微生物指的是一类具备将电子供体氧化，释放出大量的能量催化短链挥发性脂肪酸经逆β氧化或其他代谢过程，生产中链脂肪酸能力的功能微生物种群，该类微生物以梭菌属(Clostridium)为主，其中模式菌株有克氏梭菌(Clostridium kluyveri)，以乳酸为底物的埃氏巨型球菌(Megasphaera elsdenii)。中链脂肪酸指的是碳原子为6～12的羧酸，包括己酸、庚酸、辛酸等，其热值、价值相对短链挥发性脂肪酸更高，且溶解度更低甚至是完全不溶，更易被分离并作为中间体生产生物柴油、化妆品和食品添加剂等生物产品。因此，在电合成系统中通过电活性碳链延长微生物催化中链脂肪酸的生产具备极大的环境效益和经济价值。

然而，在电合成反应器中生产中链脂肪酸的报道还相对较少，并且己酸等中链脂肪酸的生产浓度由于受到反应器参数、微生物活性和产物抑制等多方面的影响仍处于较低水平。近些年，改善微生物电合成系统中中链脂肪酸生产效率的研究主要集中在新型阴极材料开发、阴极微生物的筛选和产物在线分离等方面。其中，多项研究认为在普通生物反应器中添加中间电子转移介质(如铁氧化物、生物碳、纳米零价铁)对产己酸微生物具有富集作用从而提高污泥向中链脂肪酸的转化(中国专利文献，CN111909970A)，但该技术手段尚未使用在微生物电合成系统中用于二氧化碳的还原。在微生物电合成系统中，阴极上形成的电活性碳链延长微生物膜和电极之间也被认为需要进行直接和(或)间接电子转移。那么，在碳链延长微生物电合成系统中补充中间电子转移介质(如纳米零价铁)是否有利于加强电极和微生物之间的电子转移，以实现中链脂肪酸的生产，从而达到二氧化碳减排和生物质能生产的双重目的，值得探究。

发明内容

为解决相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种促进碳链延长微生物电合成有机酸的方法，在碳链延长微生物电合成反应器阴极添加纳米零价铁促进电活性微生物的电子转移能力，从而提高二氧化碳的还原性能，实现有机酸的生产，有机酸主要包括乙酸、丁酸和己酸。

本发明所采取的技术方案是：