《Bioelectrochemistry》：Designing highly biocompatible electrodes of chitosan modified carbon felt for efficient electro-driven CO2 bio-reduction to methane
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微生物电合成中壳聚糖修饰碳毡电极协同Fe3O4磁铁矿高效转化CO2为甲烷，生物膜厚度提升及古菌丰度超80%显著增强电子传递与产气性能。
梅塞尔·拉莫斯·洛雷斯（Meisel Ramos Lores）|葛旭阳（Xuyang Ge）|萨姆森·穆尼亚拉迪齐·托波迪（Samson Munyaradzi Topodzi）|塞尔吉奥·罗德里格斯-罗德里格斯（Sergio Rodríguez-Rodríguez）|杨春勇（Yang-Chun Yong）|方珍（Zhen Fang）
中国江苏省镇江市江苏大学环境与安全工程学院生物燃料研究所
摘要
通过微生物电合成将二氧化碳（CO?）转化为甲烷是一种具有前景的二氧化碳增值技术。然而，电极与产甲烷古菌之间的不兼容界面使得高效的电子转移和甲烷生产变得困难。本研究探讨了使用壳聚糖和四氧化三铁（Fe?O?）磁铁矿改性的碳毡电极，通过生物电化学过程实现二氧化碳的可持续甲烷生产。在壳聚糖改性电极表面发现了一层极厚的生物膜，其甲烷产量比未改性电极提高了340多倍（12.5 L·m?2·d?1）。电化学测试表明，电极表面的生物膜具有优异的电子转移能力。改性电极上的微生物群落以甲烷弧菌属（Methanosarcina）为主（古菌占比超过80%），表明其适应了反应器条件。本研究表明，壳聚糖对电极的改性可以提高微生物电合成中的甲烷产量，这对能源可持续性和减少二氧化碳排放具有重要意义。
引言
21世纪全球平均气温上升了1至5°C [1]，主要原因在于人类活动 [2]。这与二氧化碳浓度的增加 [3] 有关，有必要将二氧化碳和有机废物转化为高附加值产品。为应对这一问题，国际社会提出了诸如碳中和目标等倡议，即碳排放与碳捕获（无论是自然方式还是人工方式）之间的平衡 [4]。
在这方面，传统的二氧化碳固定方法如光合作用和化学催化在经济上更为可行，但面临生物质密度低、固定速率低以及放大效应等问题 [5]。然而，从可持续性的角度来看，生物二氧化碳固定方法具有使用可再生和可生物降解催化剂以及在温和条件下进行催化等优势 [6]。基于这些优势，生物电化学二氧化碳固定成为通过生物电化学系统（BES）将二氧化碳转化为化学品的一种有前景的策略。这类燃料被称为生态燃料，因其生产过程、高效率且无污染而被视为可持续能源的来源 [7]。这项技术的进步需要在实验室和大规模应用层面共同努力，重点优化操作参数、提高电子转移机制的效率，并理解微生物群落的动态。大规模应用的挑战包括维持系统稳定性、提高能源效率以及经济可行性 [8]。二氧化碳转化的主要产物是甲烷，因为甲烷在混合培养物中最容易形成热力学上有利的反应，并且可以直接从发酵过程中去除气体产物 [9]。尽管甲烷转化具有诸多优势，但其电流密度低的问题限制了其大规模应用 [10]，同时由于非生物界面的不利影响，微生物的附着能力也有限 [11]。电极材料是其中最重要的组成部分，它作为电活性生物膜生长的基底，在调节电子转移过程和生物电化学转化中起着关键作用。碳材料在微生物电合成（MES）过程中最为常用；然而，提高其生物相容性仍是一个挑战 [12]。
这需要寻找具有优异生物相容性、可生物降解性和多功能性的创新生态材料。在这方面，壳聚糖等生物聚合物已被证明具有可持续性、循环性和低能耗等特性 [13]。壳聚糖是一种天然存在的化合物，可从甲壳素脱乙酰化获得，来源包括真菌、甲壳类动物和昆虫等。但这些特性取决于其分子量（MW）和乙酰化程度（DD） [14]。壳聚糖具有影响其生物活性的物理和化学性质，如增强的黏附性、抗菌效果以及渗透性。其主要实际应用领域包括医药、生物医学、制药、化妆品、食品饮料、农业、纺织、包装和生物技术等。它可以以溶液、凝胶/水凝胶、悬浮液、颗粒、膜等多种形式使用。
关于壳聚糖对厌氧消化影响的研究主要集中在反刍动物甲烷生产方面 [15]，发现它会影响微生物群落的变化，在某些情况下还会影响甲烷的产生。壳聚糖还被用作碳电极的改性材料，例如作为在马来酸酐水溶液中工作的电容电极的粘合剂 [16]；Bi等人 [17] 使用3D铜-壳聚糖-气体扩散层电极实现了高效的CO?电解生成C2?醇；而Li等人 [18] 则利用不同类型的碳材料改性石墨电极，提高了Geobacter sulfurreducens的产电性能并增强了生物膜的形成。这些研究表明壳聚糖在生物电化学过程中的广泛应用潜力，表明其作为电极改性剂可以改善电化学性能、促进二氧化碳向碳化合物的转化以及提高发电效率，这些都是微生物电合成过程高效发展的关键要求。此外，Spiess等人 [19] 研究了壳聚糖改性电极表面的生物膜形成情况，Seelajaroen等人 [20] 测试了配备生物阳极和阴极的CH?生成微生物电解池的性能。壳聚糖还与其他组分（如四氧化三铁）结合使用，在酸性条件下提高了甲烷产量 [21]。然而，截至目前，尚未有研究反映壳聚糖在微生物电合成过程中对碳毡改性的效率和生物相容性。
本研究验证了壳聚糖作为碳毡电极改性材料在二氧化碳还原为甲烷过程中的特性和效果，通过评估其生物相容性以及系统的电化学行为、分子测试、电子显微镜图像、电化学测试和甲烷产量评估来进行验证。结果表明，壳聚糖改性电极表面形成了广泛的生物膜，从而提高了甲烷产量，且古菌域的甲烷生成菌种在分子分析中表现出优势。
部分摘录
底物和接种物
所使用的接种物直接来自中国江苏省镇江市泾口区的污水处理厂产生的厌氧污泥。在驯化实验前，污泥存放在4°C下，培养基包括：六水合氯化镁（MgCl?·6H?O）、二水合氯化钙（CaCl?·2H?O）、氯化铵（NH?Cl）、磷酸二氢钾（KH?PO?）、氯化钾（KCl）、2-[4-(2-羟乙基)哌嗪-1-基]乙烷磺酸钠（HEPES-Na）和碳酸氢钠（NaHCO?）。
电极表面产甲烷微生物的富集
生物膜的形成是生物电化学领域发展的重要要求 [22]。图1显示了反应器和电极表面上活细胞与死细胞的比例。在整个评估系统（反应器和电极表面）中都观察到了孤立细菌的存在。
壳聚糖对细菌群落的影响
壳聚糖的生物相容性和抗菌特性已被研究，证明了其对微生物的影响。其生物相容性与其无毒性和非免疫原性特征有关，同时其结构和功能与糖胺聚糖相似，具有静电吸引力，这改变了细胞壁和内膜的通透性，从而促进了必需细胞成分的进出。
结论
壳聚糖由于带有正电荷且能形成薄膜，促进了古菌在电极表面的附着，这一点在扫描电子显微镜（SEM）图像中得到了证实，壳聚糖处理过的电极上微生物数量更多。分子分析也表明甲烷生成菌属于古菌域。此外，使用改性电极的系统中甲烷产量显著增加。
CRediT作者贡献声明
梅塞尔·拉莫斯·洛雷斯（Meisel Ramos Lores）：撰写初稿、方法论设计、实验实施、数据管理、概念构建。
葛旭阳（Xuyang Ge）：方法论设计、实验实施。
萨姆森·穆尼亚拉迪齐·托波迪（Samson Munyaradzi Topodzi）：软件开发、资源准备。
塞尔吉奥·罗德里格斯-罗德里格斯（Sergio Rodríguez-Rodríguez）：撰写内容审核与编辑。
杨春勇（Yang-Chun Yong）：撰写内容审核与编辑、资金申请。
方珍（Zhen Fang）：撰写内容审核与编辑、实验监督、方法论设计、资金申请。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（21908083）和江苏省科学技术厅（JSST）创新支持计划-国际科技合作（政府间双边创新合作项目）[项目编号：BZ2024012]的支持。
