随着人类社会的快速发展,CO_2大量排放,导致全球温室效应激增。为减少全球CO_2排放,碳捕获、利用和储存技术受到研究者的关注。微生物电化学合成(Microbial Electrosynthesis,MES)技术是一种能将CO_2转化为有机物的新型CO_2利用技术,具有可观的CO_2捕获应用潜力。但其应用受到启动周期长、乙酸合成性能低以及电子回收率低等不利因素的限制。近年来通过阴极材料合成或改性、调整运行参数等措施强化MES乙酸合成性能等方面已被众多学者所关注。相关强化策略的研究为实现MES的应用提供了机会,但对于阴极功能微生物群落形成、电子传递强化以及微生物物质能量代谢强化等方面仍需要进一步研究。本研究构建MES还原CO_2乙酸合成的反应体系,考察MES启动策略对乙酸合成性能的影响,研究电子穿梭体强化乙酸合成的性能及其作用机理,分析Fe~(2+)和Ni~(2+)强化MES乙酸合成性能及其作用机理,明确蓝藻生物炭添加对乙酸合成效果的影响及其作用机制。本文获得的主要研究结果和结论如下:(1)解析了异养预培养(HP)和电极极性反转(PR)促进MES乙酸合成性能的影响机制。不同启动策略驯化阴极微生物,经过9个周期的运行,HP组乙酸合成浓度比PR组高了79%。HP组阴极生物膜上微生物1FG-4592临床试验6S r RNA基因和四氢叶酸合成酶基因(fhs)的丰度均高于PR组。根据16S r RNA基因测序结果进行功能预测表明,尽管乙酰辅酶A次级代谢相对较低,但是HP组微生物群落具有更高的电子传递和能量转化能力。虽然HP和PR启动驯化的生物阴极具有相似的电化学特性,但HP组生物阴极在产乙酸菌丰度、微生物群落结构和功能方面均优于PR组,表明异养预培养启动策略更有利于MES乙酸合成性能。(2)探究了电子穿梭体(ESMs)提高MES乙酸合成性能的作用机理。在MES中分别添加核黄素(B2)、甲基紫精(MV)和中性红(NR),B2和NR添加组中的乙酸浓度较对照组分别提高41%和51%,在MV和NR添加组中检测到丁酸产生。通过分析16S r RNA基因的微生物群落和微生物电子受体的转录表达,发现对照组、B2组、MV组和NR组中产乙酸菌相对丰度分别为0.29%、5.68%、22.78%和42.89%。根据微生物16S r RNA基因测序结果进行功能预测表明,电子穿梭体添加对微生物能量转化相关表达的影响大于Wood-Ljungdahl(WL)途径相关基因表Stem Cells & Wnt抑制剂达的影响。微生物能量转化基因转录表达结果表明,B2能够耦合微生物膜上NADH复合物和氢化酶以促进微生物能量转化,而NR与红杆菌固氮复合物(Rnf)耦合进行电子传递和能量转化。电子穿梭体与微生物的不同电子受体耦联,实现电子传递和能量转化,最终促进MES乙酸合成性能的提升。(3)阐明了Fe~(2+)和Ni~(2+)离子添加提高MES乙酸合成性能的影响机制。Fe~(2+)和Ni~(2+)作为微生物能量转化和WL途径相关功能酶的重要组成部分,对微生物乙酸合成代谢具有重要作用。Fe~(2+)和Ni~(2+)添加组乙酸合成浓度较对照组分别提高76.9%和110.9%。Fe~(2+)和Ni~(2+)添加促进“能量代谢”和“原核生物碳固定途径”相关基因转录表达上调,其中氢化酶相关基因转录表达上调最显著,表明氢化酶在MES还原CO_2乙酸合成过程中是重要的能量转化媒介。在WL途径中,Fe~(2+)和Ni~(2+)分别增强了甲基支路和羧基支路相关基因转录表达上调,促进乙酸合成性能提升。通过宏转录组分析表明,Fe~(2+)和Ni~(2+)离子的添加促进与WL途径正相关代谢途径(M00023和M00140)基因上调,同时上调脂肪酸代谢途径相关基因转录表达。Fe~(2+)和Ni~(2+)离子的添加均能抑制体系中产甲烷代谢途径的转录表达,且对氢营养型产甲烷途径抑制效果更显著。在MES乙酸合成体系中,固碳代谢途径除WL途径以外,同时还发现卡尔文循环、逆三羧酸循环和二羧酸-4-羟基丁酸途径固碳途径的存在。Fe~(2+)和Ni~(2+)离子的添加提高乙酸合成过程中能量转化和WL途径相关基因的转录表达,并促进WL途径相关代谢表达活性增强,提高MES乙酸合成性能。(4)解析了添加蓝藻生物炭在MES中强化乙酸合成的机理。在乙酸合成体系中,添加不同种类的蓝藻生物炭,结果表明添加蓝藻生物炭(ABC)和过氧化氢改性蓝藻生物炭(ABC-H_2O_2)乙酸合成浓度较对照组分别提高了33.8%和77.0%,电子回收率也有所上升,且ABC-H_2O_2组电子回收率高于ABC组。蓝藻生物炭电化学活性结果表明,经过氧化氢改性后的蓝藻生物炭表面含氧官能团数量增加,增强了电子传递能力及氧化活性。在微生物群落结构方面,ABC组产乙酸菌相对丰度降低,但提高了微生物群落中电活性微生物和产氢微生物的相对丰度,使得产乙酸微生物获Medical mediation得更多的电子,实现乙酸合成性能增强。本研究明确了启动和强化策略对MES乙酸合成性能的影响因素,解析了各影响因素对MES乙酸合成性能的影响机制,阐明了MES乙酸合成相关代谢特性,解析了MES乙酸合成性能对不同强化策略的响应特征。研究结果有利于进一步理解MES乙酸合成过程中电子传递、微生物代谢以及微生物间相互作用机理,为利用MES还原CO_2乙酸合成工艺的升级和应用提供理论依据和技术支持。