Биоэлектрохимиялык метанация (Bioelectrochemical Methanation, BEM) — көмүр кычкыл газын (CO₂) электрдик калыбына келтирүү эквиваленттери жана метаногендик микроорганизмдердин каталитикалык активдүүлүгү аркылуу синтетикалык метанга (CH₄) айландыруучу көмүртекти пайдалануу жана power-to-gas ыкмасы. Бул изилдөө үч эки камералуу BEM клеткасынан турган лабораториялык масштабдагы стектин 83 күн бою гальваностатикалык режимде иштешин камсыздап; электролит курамынын, мембрана аркылуу иондук кайчылаш өтүүнүн, колдонулган ток тыгыздыгынын жана эриген CO₂ көлөмүнүн CH₄ өндүрүүгө, CH₄ тазалыгына, Кулондук натыйжалуулукка, энергия керектөөгө жана микробдук коомчулукка биргелешкен таасирин изилдеген.
Стек алгачкы 14 күн 6 A m−2, андан кийин 12 A m−2 ток тыгыздыгында иштетилген. Католиттеги эриген CO₂ концентрациясы изилдөөнүн жүрүшүндө болжол менен 1,1–0,55 g L−1 деңгээлинен акыркы фазада 0,22–0,055 g L−1 чейин акырындап азайтылган. Башында өткөрүмдүүлүгү жогору Электролит-A колдонулган; иондук кайчылаш өтүүдөн улам католиттин өткөрүмдүүлүгү болжол менен 22 mS cm−1 чейин жогорулап, метаногендик активдүүлүк начарлаганда 44-күнү католиттин %30 бөлүгү өткөрүмдүүлүгү төмөн Электролит-B менен алмаштырылган. Бул өзгөрүү католиттин өткөрүмдүүлүгүн 16,9 mS cm−1 чейин төмөндөтүп, метан өндүрүүнүн кайра калыбына келиши менен байланышкан.
Эриген CO₂ деңгээлин төмөндөтүү CH₄ өндүрүү ылдамдыгын азайтпастан газдын тазалыгын жогорулаткан. Акыркы 76–83 күндүк фазада орточо CH₄ курамы %87,6 ± 2,6, өзгөчө CH₄ өндүрүү ылдамдыгы 1,1 ± 0,3 L-CH₄ L−1катод күн−1 жана орточо катоддук Кулондук натыйжалуулук %69,7 ± 14,5 деп билдирилген. Эксперимент учурунда көз ирмемдик катоддук Кулондук натыйжалуулук %99га, ал эми көз ирмемдик CH₄ өндүрүү ылдамдыгы 1,9 L-CH₄ L−1катод күн−1 чейин жеткен.
Газ курамы боюнча маалыматты жалпылоонун ар кандай деңгээлдери бар. Булактын 3-сүрөтүндөгү өзүнчө micro-GC үлгүлөрүндө 72 жана 82-күндөрү CH₄ үлүшү %96дан ашса, 3-таблица акыркы иш фазасынын орточо маанисин %87,6 ± 2,6 деп берет. Макаланын аннотациясы бул натыйжаны “%88ге чейин”, ал эми жыйынтык бөлүгү эриген CO₂ төмөн шарттарда “болжол менен %90 тазалык” деп жалпылайт. Бул маанилер бир эле статистикалык чоңдук эмес жана бири-биринин ордуна колдонулбашы керек.
Иондук баланс мембрана аркылуу ташылган заряд бир гана протондордон турбаганын көрсөткөн. Na+ жана K+ маанилүү катиондук заряд ташуучулар болгон, фосфат түрлөрү өзгөчө эксперименттин алгачкы мезгилинде жогорку иондук агымды көрсөткөн. CEM аниондордун ташылышын чектөө үчүн иштелип чыкканына карабастан, Cl− жана PO43− сыяктуу аниондор да күчтүү концентрациялык градиенттерде мембранадан өткөн. Бул ион миграциялары католиттин туздуулугун жогорулатып, анолит–католит pH айырмасына жана омдук жоготууларга салым кошкон.
Микробдук анализ эки башка ыкма менен жүргүзүлгөн. Full-length 16S rRNA Nanopore секвенирлөөсү коомчулуктун негизинен бактериялык бөлүгүн көрсөткөн, бирок метаногендик археялар колдонулган праймерлердин мүмкүн болгон бир жактуулугунан улам бул маалымат топтомунда аныкталган эмес. Ага каршы, метаногенезге байланышкан mcrA жана hdrA функционалдык гендери qPCR менен өлчөнүп, активдүү метаногендик коомчулуктун бар экени колдоого алынган. Бул айырма “16S маалыматында архея көрүнгөн жок” деген жыйынтык “реактордо метаноген болгон эмес” дегенди билдирбесин көрсөтөт.
Изилдөөнүн чечмелөө чеги маанилүү. Система үч клеткалуу болгону менен лабораториялык масштабда; CO₂ дозалоо кол менен жүргүзүлгөн, микробдук үлгүлөр электродго жабышкан биофильмден эмес, жалпы католиттен алынган жана өнөр жай масштабында узак мөөнөттүү автоматтык иштетүү ырасталган эмес. Натыйжалар BEM масштабын чоңойтуу стратегиялары үчүн багыт берет, бирок коммерциялык масштабдагы көрсөткүчтөргө кепилдик эмес.
Изилдөө маселеси эмнеде?
BEM системаларында электроддук реакцияларды гана тездетүү жетиштүү эмес. Бир убакта үч башка тармак тең салмакталууга тийиш: электрохимиялык электрон өткөрүү, суюк фазадагы ион жана CO₂ ташылышы жана метаногендик микробдук коомчулуктун физиологиялык талаптары.
Электролиттин жогорку өткөрүмдүүлүгү омдук каршылыкты азайтышы мүмкүн. Бирок иондордун жогорку концентрациясы жана мембрана аркылуу үзгүлтүксүз ион өтүшү католитте туздун топтолушуна, осмостук стресске жана метаногендик активдүүлүктүн басылышына алып келиши мүмкүн. Ошондуктан электрохимиялык жактан артыкчылыктуу көрүнгөн электролит шарты биологиялык жактан терс болушу мүмкүн.
CO₂ үчүн да ушундай тең салмак бар. Өтө жогорку CO₂ берилиши микроорганизмдер үчүн көмүртектин жеткиликтүүлүгүн көбөйтүшү мүмкүн; бирок айландырылбай калган CO₂ чыгуу газындагы CH₄тү түздөн-түз суюлтат жана мембрана аркылуу анод тарапка өткөн көмүртектин көлөмүн көбөйтүшү мүмкүн. Өтө төмөн CO₂ болсо теориялык жактан субстрат чектөөсүнө алып келиши мүмкүн. Изилдөө ушул эки чектин ортосундагы иштөө диапазонун эксперименттик түрдө изилдеген.
Биоэлектрохимиялык Метанация (BEM) Деген Эмне?
Биоэлектрохимиялык метанация — CO₂ни биокатоддо микроорганизмдер CH₄кө калыбына келтириши үчүн зарыл болгон калыбына келтирүү эквиваленттери электр аркылуу камсыздалган микробдук электрохимиялык система; электрон өткөрүү түздөн-түз клетка–электрод өз ара аракеттенүүсү аркылуу же электрохимиялык түрдө пайда болгон H₂ни гидрогенотрофтук метаногендер пайдаланган сыяктуу кыйыр жолдор менен ишке ашышы мүмкүн жана бул изилдөө эки жолдун салыштырмалуу салымын түздөн-түз ажыраткан эмес.
Түз жана кыйыр электрометаногенез
Булак BEMде CO₂нин CH₄кө айлануусу үчүн эки жалпы механизм классын сүрөттөйт. Биринчиси — метаногендердин катоддон түздөн-түз экстрацеллюлярдык электрон алышы. Экинчиси жана практикалык системаларда көп учурда маанилүү деп эсептелген жол — катоддо алгач суутек бөлүнүп чыгуу реакциясы менен H₂ пайда болуп, гидрогенотрофтук метаногендер бул H₂ни CO₂ни калыбына келтирүүдө колдонушу.
Бул изилдөө механизмдердин пайыздык салымын өлчөгөн изотоптук же механизмди ажыратуучу эксперимент эмес. Ошондуктан жогорку CH₄ өндүрүшү түз электрон алуунун же H₂-арачылыктуу жолдун жалгыз өзү басымдуу экенинин далили катары колдонулбашы керек.
Үч клеткалуу BEM системасынын физикалык түзүлүшү
Изилдөөдө BEM 1, BEM 2 жана BEM 3 деп аталган үч эки камералуу жалпак пластиналуу клетка колдонулган. Ар бир клетканын туурасынан кесилиш аянты 100 cm², калыңдыгы 2 cm жана ар бир камеранын көлөмү 200 mL.
Анод — 9 cm² титан торуна 12 g m−2 IrO₂ негизиндеги mixed-metal-oxide каптамасы түшүрүлгөн электрод. Катод камерасында болжол менен 10 g INOX 434 дат баспас болот жүнү бар. Анод жана катод камералары 100 cm² RALEX CMHPP катион алмаштыруучу мембрана менен бөлүнгөн.
Ар бир клетка өзүнчө кубат булагы менен иштетилген. Ошондуктан “үч клеткалуу stack” деген сөз бардык клеткалар бир электрдик сериялык чынжырда дегенди билдирбейт. Клеткалар жалпы анолит жана католит контурлары аркылуу бирге иштетилген, бирок өзүнчө кубат булактары менен камсыздалган.
Анолит жана католит рециркуляциясы
Үч клетканын анолиттери 2 L жалпы резервуарга, католиттери болсо 3 L жалпы резервуарга туташтырылган. Эки суюк контурда тең агым 200 mL dk−1.
Анод контуру 180–200 mbar ашыкча басымда кармалып, пайда болгон O₂ жалпы газ линиясында суюктуктан бөлүнгөн. Катод контуру да ошол эле басым диапазонунда иштетилип, пайда болгон CH₄/CO₂ газ аралашмасы суюк фазадан бөлүнгөн.
Католиттин температурасы пластиналуу жылуулук алмаштыргыч жана термостаттын жардамы менен 35 °Cде кармалган. Эриген CO₂ InPro5000i сенсору менен католит рециркуляция линиясында үзгүлтүксүз көзөмөлдөнгөн.
Электролит-A менен Электролит-B ортосундагы айырма
| Компонент | Электролит-A | Электролит-B | Бирдик |
|---|---|---|---|
| Na₂HPO₄·12H₂O | 11,7 | 0,35 | g L−1 |
| KH₂PO₄ | 2,54 | 0,23 | g L−1 |
| NH₄Cl | 0,53 | 0,50 | g L−1 |
| Na₂SO₄ | 0,10 | 0,10 | g L−1 |
| KCl | 0,052 | — | g L−1 |
| CaCl₂·2H₂O | 0,01 | 0,25 | g L−1 |
| MgCl₂·6H₂O | 0,72 | 0,41 | g L−1 |
| NaHCO₃ | — | 0,85 | g L−1 |
| Цистеин гидрохлориди | — | 0,30 | g L−1 |
| Микроэлемент эритмеси | 1 | 1 | mL L−1 |
| Wolfe витамин эритмеси (1000×) | 1 | 1 | mL L−1 |
| pH | 7,5 | 7,7 | — |
| Өткөрүмдүүлүк | 15,1 | 4,0 | mS cm−1 |
Электролит-A фосфаттын жогорку курамына жана баштапкы өткөрүмдүүлүгү болжол менен төрт эсе жогору. Электролит-B болсо иондук күчү төмөн болуп, реалдуу түгөнгөн агынды суу чыгыштарына жакыныраак чөйрөнү чагылдыруу үчүн колдонулган.
Электролит-Bнин төмөн өткөрүмдүүлүгү өзүнчө эле анын “жакшыраак электролит” экенин билдирбейт. Изилдөө көрсөткөн негизги тең салмак — жетиштүү иондук өткөрүмдүүлүк менен микроорганизмдер үчүн кабыл алынуучу туздуулуктун ортосунда оптималдуу диапазон керек экендиги.
Иондук Кайчылаш Өтүү BEM Иштешин Эмне Үчүн Чектеди?
Иондук кайчылаш өтүү — анод жана катод электролиттеринин ортосундагы электр талаасы жана концентрация айырмачылыктарынан улам Na⁺, K⁺, фосфат, Cl⁻ жана башка иондордун CEM аркылуу таза ташылышы; бул изилдөөдө өзгөчө катиондордун катоддо топтолушу католиттин өткөрүмдүүлүгүн болжол менен 22 mS cm⁻¹ге чейин жогорулатып, жогорку туздуулук метан өндүрүшүнүн төмөндөшү менен бирге байкалган жана суюлтулган Электролит-B менен католитти жарым-жартылай алмаштыргандан кийин система калыбына келген.
CEM протондорду гана ташыйбы?
Жок. Катион алмаштыруучу мембрана протондордун өтүшүн колдогону менен, реалдуу электролит чөйрөсүндө электр зарядынын маанилүү бөлүгү башка катиондор менен ташылышы мүмкүн. Бул изилдөөдө Na+ жана K+ негизги катиондук заряд ташуучулар катары аныкталган.
Мындан тышкары, мембрананын аниондорду түртүшү абсолюттук тоскоолдук дегенди билдирген эмес. Күчтүү концентрациялык градиенттерде Cl− жана өзгөчө PO₄3− сыяктуу аниондор да диффузия аркылуу мембранадан өткөн.
Католиттин өткөрүмдүүлүгү эмне үчүн жогорулады?
Католит башында болжол менен 9,5 mS cm−1 өткөрүмдүүлүккө ээ болсо, 44-күнгө жакын 22 mS cm−1 чейин жогорулаган. Авторлор бул жогорулашты негизинен анод тараптан катодго өткөн катиондордун топтолушу менен байланыштырышат.
Болжол менен 22 mS cm−1 деңгээли булакта көрсөтүлгөн Methanobacteria туздуулукка чыдамдуулук чегине туура келген болжол менен 18 mS cm−1 мааниден жогору. Ошол эле мезгилде CH₄ өндүрүү ылдамдыгынын 0,2 ± 0,1 L-CH₄ L−1катод күн−1 чейин төмөндөшү жогорку туздуулукка шайкеш деп табылган.
44-күнү Электролит-Aнын %30 бөлүгүн Электролит-B менен алмаштыруу өткөрүмдүүлүктү 16,9 mS cm−1 чейин төмөндөтүп, кийин 19 mS cm−1ден төмөн деңгээлде турукташтырган. Жети күндүк адаптация мезгили эсептен чыгарылганда CH₄ өндүрүү ылдамдыгы 1,1 ± 0,3 L-CH₄ L−1катод күн−1 чейин калыбына келген.
Төмөн Эриген CO₂ CH₄ Тазалыгын Эмне Үчүн Жогорулатты?
Бул изилдөөдө эриген CO₂нин төмөн деңгээли метаногендер үчүн зарыл көмүртекти толугу менен жок кылбастан чыгуу газындагы айландырылбаган CO₂ көлөмүн азайткандыктан CH₄ пайызын жогорулаткан; акыркы фазада 0,22–0,055 g-CO₂ L⁻¹ диапазонунда орточо CH₄ тазалыгы %87,6 ± 2,6 болуп, өндүрүү ылдамдыгы 1,1 ± 0,3 L-CH₄ L⁻¹катод күн⁻¹ деңгээлинде сакталган.
CO₂ өтө жогору болушу эмне үчүн көйгөй жаратышы мүмкүн?
CO₂нин парциалдык басымы жогорулаганда Генри мыйзамына ылайык суюктукта эриген CO₂ көлөмү көбөйөт. Бул микроорганизмдердин көмүртек булагына жеткиликтүүлүгүн көбөйтүшү мүмкүн; бирок айландырылбай калган CO₂ катод чыгуу газындагы CH₄тү түздөн-түз суюлтат.
Эриген CO₂ ошондой эле зарядсыз CO₂(aq) түрүндө CEM аркылуу диффузияланып өтүшү мүмкүн. Бул көмүртек анод тарабындагы O₂ газына аралашып, кычкылтек продуктусунун тазалыгын төмөндөтүшү мүмкүн.
Демек максат CO₂ни мүмкүн болушунча эң төмөн мааниге түшүрүү эмес; метаногендердин көмүртек талабын камсыздаган, бирок ашыкча газ фазасынын суюлушун жана көмүртек жоготуусун жаратпаган иштөө диапазонун табуу.
CO₂ көзөмөлүнүн эксперименттик чеги
CO₂ %99,995 тазалыктагы газ түрүндө 20 mL dk−1 агым менен көзөнөктүү диффузор аркылуу католитке берилген. Бирок берүү эриген CO₂ сенсорунун көрсөткүчүнө карап кол менен күйгүзүлүп-өчүрүлгөн.
Ошондуктан максатталган эриген CO₂ диапазондору реалдуу убакыттагы жабык контурдук көзөмөлдө идеалдуу туруктуу сакталган эмес. Авторлор CH₄ өндүрүү жана Кулондук натыйжалуулуктагы термелүүлөрдүн бир бөлүгүн ушул кол менен көзөмөлгө байланыштырышат.
Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары
83 күндүк эксперименттин убакыт тартиби
| Мезгил | Ток тыгыздыгы | Анолит | Католит | Эриген CO₂ |
|---|---|---|---|---|
| 0–14 күн | 6 A m−2 | PPMS | Электролит-A | %100–50; 1,1–0,55 g L−1 |
| 15–21 күн | 12 A m−2 | PPMS | Электролит-A | %100–50; 1,1–0,55 g L−1 |
| 21–44 күн | 12 A m−2 | PPMS | Электролит-A | %80–50; 0,88–0,55 g L−1 |
| 44-күн | — | PPMS | Католиттин %30 алмаштырылышы | Электролит-B кошулат |
| 45–63 күн | 12 A m−2 | PPMS | Негизинен Электролит-B | %80–50; 0,88–0,55 g L−1 |
| 63-күн | — | Электролит-Bге толук алмаштыруу | Электролит-B | — |
| 64–76 күн | 12 A m−2 | Электролит-B | Электролит-B | %60–20; 0,66–0,22 g L−1 |
| 76–83 күн | 12 A m−2 | Электролит-B | Электролит-B | %20–5; 0,22–0,055 g L−1 |
Метаногендик инокулум
Метаногендерге бай культура Террассадагы жергиликтүү агынды сууну тазалоо станциясынын анаэробдук чириткич ылайынан алынган. Биокатодду инокуляциялоо үчүн чөктүрүлгөн биомассадан 300 mL анаэробдук шартта катод камераларына куюлган.
Метаногендик активдүүлүк жоголгондон кийин 38-күнү инокуляция процесси кайталанган. Бул окуя микробдук коомчулукту талдоодо, өзгөчө 44-күндөн кийинки өзгөрүүлөрдү чечмелөөдө эске алынышы керек; коомчулуктун өзгөрүшүн электролит алмашуусунан гана келип чыккандай чечмелөөгө болбойт.
Электрохимиялык мүнөздөмө
Linear Sweep Voltammetry (LSV) инокуляцияга чейинки абиотикалык шартта жана 28 күн иштетилгенден кийин жүргүзүлгөн. Сканирлөө ылдамдыгы 1 mV s−1, катоддук потенциал диапазону −0,50дөн −1,20 V vs Ag/AgClге чейин.
Өлчөө үч электроддуу түзүлүштө жүргүзүлгөн: катод жумушчу электрод, анод каршы электрод, ал эми катод камерасындагы Ag/AgCl (3 M KCl) электрод референс электрод болуп саналат. LSV учурунда сырттан CO₂ берилген эмес.
Биофильм өнүккөндөн кийин болжол менен −0,80 V vs Ag/AgClде калыбына келтирүү тогу байкалып, −1,20 Vда болжол менен 70 A m−2ге жеткен. Абиотикалык катод ошол эле потенциалда болжол менен 25 A m−2 берген.
Бул маанилер акыркы ток тыгыздыгы 70/25 ≈ 2,8 эсе болгонун, башкача айтканда болжол менен %180 өсүш болгонун көрсөтөт. Булак муну “1,8× enhancement” деп сүрөттөйт; бул сөз айкашы өсүү көлөмүн билдириши мүмкүн. Verianla 25 жана 70 A m−2 баштапкы маанилерин негиз кылат жана булактын сөзүн унчукпай өзгөртпөйт.
Жалпы ашыкча потенциал — Теңдеме 1
Формула эмнени эсептейт? Өлчөнгөн жалпы клетка ашыкча потенциалын pH айырмасынан келип чыккан жоготууга, электролит каршылыгынан келип чыккан иондук жоготууга жана өз-өзүнчө ажыратууга мүмкүн болбогон башка жоготууларга бөлөт.
- ηpH: анод–катод pH айырмасынан келип чыккан ашыкча потенциал.
- ηionic: анолит жана католит суюк фазаларынын электр каршылыгынан келип чыккан жоготуу.
- ηunknown: анод/катод активдешүү жоготуулары, мембрана каршылыгы жана башка ташуу каршылыктары сыяктуу өз-өзүнчө өлчөнбөгөн салымдардын жыйынды термини.
Бул ажыратууда ηunknown физикалык жактан жалгыз механизм эмес. Ал өлчөнбөгөн ар кандай салымдардын айырма жолу менен алынган бириккен калдыгы.
pHдан келип чыккан ашыкча потенциал — Теңдеме 2
- R: универсал газ туруктуусу, 8,314 J mol−1 K−1.
- T: абсолюттук температура, K.
- F: Фарадей туруктуусу, 96485 C mol−1.
- pHcat: католиттин pHы.
- pHan: анолиттин pHы.
Теңдеме математикалык жактан pH айырмасы чоңойгон сайын ηpH чоңойорун көрсөтөт. Экспериментте анолиттин pHы болжол менен 2ге чейин төмөндөп, католит болжол менен нейтралдуу–бир аз щелочтуу бойдон калгандыктан күчтүү pH градиенти пайда болгон.
Электролит каршылыгынын ашыкча потенциалы — Теңдеме 3
- Iions: мембрана аркылуу ташылган жалпы заряд агымына эквивалент электр тогу, A.
- Ran, Rcat: анод жана катод суюк фазаларынын каршылыктары.
- d: электрод менен мембрананын ортосундагы аралык, cm.
- A: эффективдүү мембрана аянты, cm².
- σ: электролит өткөрүмдүүлүгү, S cm−1.
Теңдемеде өткөрүмдүүлүк σ бөлгүчтө тургандыктан, башка өзгөрмөлөр туруктуу болгондо жогорку өткөрүмдүүлүк омдук жоготууну азайтат. Бирок бул математикалык артыкчылык ашыкча туздуулуктун микроорганизмдерге биологиялык зыянын камтыбайт. Изилдөөнүн негизги инженердик тең салмагы дал ушул жерде.
Клетканын ашыкча потенциалы — Теңдеме 4
Бул жерде эксперименттик клетка чыңалуусу менен өзүнчө электрод потенциалдарынан кайра түзүлгөн клетка чыңалуусунун айырмасы жалпы ашыкча потенциал катары алынган.
Кайра түзүлгөн клетка чыңалуусу — Теңдеме 5
Ecathode,m жана Eanode,m өз камераларындагы референс электроддорго карата өлчөнгөн катод жана анод потенциалдары.
Энергия керектөө — Теңдеме 6
Econ — нормалдуу шартта өндүрүлгөн бирдик CH₄ көлөмүнө туура келген BEM стегинин электр энергиясын керектөөсү.
- Icell,i: i-клетканын тогу.
- Ecell,i: i-клетканын чыңалуусу.
- n: стектеги клеткалардын саны.
- 24 h: суткалык энергияны эсептөө үчүн убакыт.
- VCH4: нормалдуу шартта өндүрүлгөн CH₄ көлөмү.
Туруктуу 12 A m−2 иштөө учурунда булак орточо энергия керектөөнү болжол менен 40 ± 7 kWh Nm−3-CH₄, минималдуу маанини 27 kWh Nm−3-CH₄ деп билдирет. Католит алмаштырылган мезгилдеги 48-күнү убактылуу 243 kWh Nm−3-CH₄ маанисине жеткен; бул маани кадимки туруктуу иштөөнү билдирбейт.
Иондордун заряд ташууга салымы — Теңдеме 7
- Z: иондун электр заряды; өлчөмсүз.
- F: Фарадей туруктуусу.
- V: ион концентрациясы өлчөнгөн камеранын көлөмү, L.
- Δ[Cion]: тиешелүү убакыт аралыгындагы ион концентрациясынын өзгөрүшү, mol L−1.
- A: жалпы мембрана аянты, m².
- t: убакыт аралыгы, s.
Оң iion мааниси ион тиешелүү камерага таза киргенин, терс маани болсо тиешелүү камерадан таза чыкканын билдирет.
Негизги PDFде жок qPCR теңдемелери
Булак тексти mcrA жана hdrA ген көчүрмөлөрүнүн санын эсептөө үчүн Теңдеме 10 жана Теңдеме 11ге шилтеме берет; бирок бул теңдемелердин өзү негизги PDFде жок жана Supplementary Information Table S3кө жөнөтөт. Жүктөлгөн негизги PDFдин мазмуну бул теңдемелерди ишенимдүү түрдө кайра түзүүгө жетишсиз болгондуктан, Verianla аларды болжоп жазбайт.
Суюктук жана газ анализдери
| Өлчөө | Ыкма / түзмөк |
|---|---|
| pH жана өткөрүмдүүлүк | HQ40 мультиметр, Hach Lange |
| Cl⁻, SO₄²⁻ жана PO₄³⁻ | ICS-3000 ион хроматографиясы, Dionex |
| Na⁺, K⁺, Ca²⁺ жана Mg²⁺ | Agilent 8900 ICP-QQQ ICP-MS |
| Учуучу май кислоталары | ICS-3000 Conductivity Detector |
| OD600 | Hach DR 3900 спектрофотометр |
| CH₄, CO₂, H₂, O₂, N₂, CO жана H₂S | Agilent 490 Micro GC Natural Gas Analyzer |
| Эриген CO₂ | InPro5000i + M400 transmitter |
Газ курамынын өнүгүшү
Инокуляциядан дароо кийин, 2-күнү катод чыгуу газында болжол менен %85 CO₂, %13 H₂ жана болгону болжол менен %2 CH₄ болгон. Бул баштапкы мезгил метаногендик биомасса али толук өнүгө элек этапты билдирет.
2-күндөн кийин CH₄ үлүшү акырындап жогорулап, CO₂ азайган. 14-күнү CH₄ басымдуу газга айланган; ошол эле мезгилде клетка чыңалуусу болжол менен 2,6 V жана өлчөнгөн ашыкча потенциал 0,13 ± 0,07 V чамасында болгон.
Ток тыгыздыгы 12 A m−2ге көтөрүлгөндө клетка чыңалуусу болжол менен 3,3–3,7 Vга жогорулаган. Катод потенциалы олуттуу өзгөрбөгөнү менен, жогорулаштын маанилүү бөлүгү электролит каршылыгы жана башка системалык жоготуулар менен байланышкан.
Булак бул натыйжаны “ион ташылышы басымдуу чектөөчү болуп калды” деп чечмелегени менен, ηunknown ичинде электрод кинетикасы, мембрана каршылыгы жана масса ташылышы сыяктуу чечилбеген салымдар бар экенин өзгөчө белгилейт. Ошондуктан жалгыз чектөөчү так иондук каршылык деп айтууга болбойт.
CH₄ көрсөткүчтөрүнүн иштөө фазалары боюнча сандык жыйынтыгы
| Мезгил | Ток | Эриген CO₂ | CH₄ (%) | CO₂ (%) | CH₄ өндүрүү ылдамдыгы | CEcat (%) | Энергия керектөө |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0–14 | 6 A m−2 | 1,1–0,55 g L−1 | 40,5 ± 4,7 | 31,1 ± 3,2 | 0,2 ± 0,3 | 28,5 ± 36,5 | 33,5 ± 21,9 kWh Nm−3 |
| 15–21 | 12 A m−2 | 1,1–0,55 g L−1 | 62,7 ± 5,8 | 22,9 ± 4,8 | 0,9 ± 0,5 | 55,7 ± 33,2 | 38,7 ± 14,6 kWh Nm−3 |
| 21–44* | 12 A m−2 | 0,88–0,55 g L−1 | 68,0 ± 4,3 | 17,6 ± 4,9 | 0,9 ± 0,5 | 53,4 ± 30,2 | 43,6 ± 10,8 kWh Nm−3 |
| 45–63** | 12 A m−2 | 0,88–0,55 g L−1 | 78,1 ± 16,2 | 13,9 ± 5,3 | 1,1 ± 0,3 | 65,3 ± 20,0 | 38,0 ± 6,4 kWh Nm−3 |
| 64–76 | 12 A m−2 | 0,66–0,22 g L−1 | 85,5 ± 3,2 | 10,0 ± 6,0 | 1,1 ± 0,3 | 65,6 ± 16,0 | 42,0 ± 5,4 kWh Nm−3 |
| 76–83 | 12 A m−2 | 0,22–0,055 g L−1 | 87,6 ± 2,6 | 5,4 ± 3,2 | 1,1 ± 0,3 | 69,7 ± 14,5 | 39,8 ± 9,0 kWh Nm−3 |
* Булак 21–44 мезгилин таблицада ушундай атаганы менен, статистика 41-күнгө чейинки туруктуу маалыматтардан эсептелгенин билдирет.
** 45–63 мезгили үчүн билдирилген орточо маанилер католит алмашкандан кийинки адаптация мезгили алып салынуу менен 52-күндөн тартып эсептелген.
CH₄ өндүрүү ылдамдыгы тилкесинин бирдиги L-CH₄ L−1катод күн−1.
Анод газы жана көмүртек crossover
Анод тарабындагы негизги газ O₂ болгон. 21-күндөн тартып O₂ тазалыгы болжол менен %92 жана өзгөчө O₂ өндүрүү ылдамдыгы болжол менен 3,4 L-O₂ L−1анод күн−1 деп билдирилген.
O₂ газындагы негизги аралашма CO₂. Булак эриген CO₂нин зарядсыз молекула катары мембранадан өтүшүн мунун маанилүү себеби катары чечмелейт.
Аноддо %0–7,7 CH₄ жана %0–1,7 H₂ сыяктуу аз өлчөмдөр да өлчөнүп, алар мембрана аркылуу газ crossover менен шайкеш деп табылган.
Ион crossover маанилери — аниондор
| Мезгил | Cl⁻ катод | Cl⁻ анод | SO₄²⁻ катод | SO₄²⁻ анод | PO₄³⁻ катод | PO₄³⁻ анод |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0–14 | −4,7×10−2 | 1,4×10−2 | 1,1×10−4 | −8,6×10−5 | 8,4×10−1 | −9,3×10−1 |
| 15–21 | −2,0×10−2 | 1,3×10−2 | −1,5×10−5 | 2,5×10−4 | 2,9×10−1 | −8,3×10−2 |
| 21–44 | −1,7×10−2 | 1,9×10−3 | 3,3×10−4 | 2,0×10−4 | 2,1×10−1 | −2,5×10−1 |
| 45–63 | −3,8×10−2 | 3,3×10−4 | — | 2,6×10−4 | 9,2×10−3 | 5,3×10−2 |
| 64–76 | −9,9×10−3 | −5,0×10−2 | — | 6,2×10−3 | −1,0×10−1 | 1,1×10−1 |
| 76–83 | −1,0×10−2 | −2,6×10−2 | — | 6,4×10−3 | −8,5×10−3 | 1,0×10−2 |
Ион crossover маанилери — катиондор
| Мезгил | Na⁺ катод | Na⁺ анод | K⁺ катод | K⁺ анод | Ca²⁺ катод | Ca²⁺ анод | Mg²⁺ катод | Mg²⁺ анод |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0–14 | 3,2×10−1 | −3,6×10−1 | 3,4×10−1 | −1,5×10−1 | 3,1×10−2 | 4,8×10−2 | 1,0×10−2 | −1,2×10−2 |
| 15–21 | 9,8×10−2 | −1,1×10−1 | 1,3×10−1 | −9,9×10−3 | 8,4×10−3 | −5,8×10−3 | 6,2×10−3 | — |
| 21–44 | 3,1×10−2 | −6,1×10−2 | 9,8×10−2 | −6,0×10−2 | — | — | 3,9×10−3 | — |
| 45–63 | 3,7×10−2 | −2,0×10−2 | 3,1×10−2 | −5,6×10−3 | 1,4×10−2 | −1,2×10−2 | 2,7×10−3 | — |
| 64–76 | 2,2×10−1 | −3,2×10−1 | −4,1×10−4 | 1,1×10−2 | −5,4×10−2 | 1,7×10−2 | 3,1×10−3 | −2,4×10−2 |
| 76–83 | 4,5×10−2 | −5,8×10−2 | −7,1×10−4 | −4,6×10−2 | — | −2,7×10−3 | 2,0×10−4 | — |
Бул таблица иондордун өлчөнгөн концентрация өзгөрүүлөрүнөн эсептелген таза салымды гана көрсөтөт. Ар бир өзүнчө ион жалпы заряд балансы менен кемчиликсиз жабылат деп күтүүгө болбойт; үлгү алуу, реакциялар, толук өлчөнбөгөн түрлөр жана башка ташуу процесстери жалпы системага салым кошушу мүмкүн.
Хлорид жана мүмкүн болгон хлор пайда болушу
Алгачкы 63 күн анолит 0,1 M PPMS болгон учурда Cl⁻ жалпысынан катоддон анодго карай өткөн. Анод Электролит-B менен алмаштырылганда анолиттеги Cl⁻ концентрациясы башында жогорулап, кийин кайра төмөндөгөн.
Авторлор бул төмөндөөнү бир гана мембрана ташылышы менен түшүндүрүүгө болбой турганын жана жогорку анод потенциалында хлориддин Cl₂ге кычкылданышы мүмкүн экенин талкуулашат.
Бул жерде тактык чеги абдан маанилүү: Cl₂ аналитикалык прибор менен аныкталган эмес. Хлордун пайда болушу электрод потенциалына жана хлор жытына окшош сапаттык байкоого негизделген мүмкүнчүлүк. Ошондуктан “хлор газы өндүрүлдү” деген сөз эксперименттик жактан ырасталган жыйынтык эмес.
Микробиологиялык анализ кандай жүргүзүлгөн?
83 күн ичинде жалпы католиттен 12 суюк үлгү алынган. Микробиологиялык баалоо эки мезгилге бөлүнгөн:
- Фаза 1: католит алмашканга чейинки мезгил.
- Фаза 2: католит алмашкандан кийинки мезгил.
Үлгүлөр электрод биофильмин бузбоо үчүн bulk католиттен алынган. Бул дизайн биофильмге зыян келтирбестен узак мөөнөттүү мониторинг жүргүзүүгө мүмкүндүк берет; бирок электрод бетине түздөн-түз байланышкан коомчулуктун мейкиндик курамын өлчөбөйт.
DNA ZymoBIOMICS DNA Miniprep Kit менен бөлүнүп алынган, концентрациясы Qubit менен өлчөнгөн. Болжол менен 1,5 kb full-length 16S rRNA ампликондору Oxford Nanopore MinION R10.4.1 flow cell менен секвенирленген.
Чийки FAST5 маалыматтары Dorado 1.0.1 SUP режими менен basecall кылынып, EPI2ME Nextflow 16S rRNA workflow менен классификацияланган жана NCBI 16S + 18S rRNA маалымат базасы колдонулган. Маалымат талдоосу R Studioда phyloseq жана microeco пакеттеринин жардамы менен жүргүзүлгөн.
16S rRNA Секвенирлөөсү Метаногендерди Көрсөтпөсө, qPCR Эмне Үчүн Көрсөттү?
Изилдөөдөгү 16S Nanopore маалымат топтомунда метаногендик археялардын көрүнбөшү системада метаногендер жок дегенди эмес, колдонулган SQK-16S114.24 “universal” праймерлери археялык ырааттуулуктарды жетиштүү көбөйтпөй калышы мүмкүн экенин көрсөтөт; ошондуктан изилдөөчүлөр метаногенезге байланышкан mcrA жана hdrA функционалдык гендерине багытталган qPCR колдонуп, метаногендик коомчулукту ушул көз карандысыз молекулалык маркерлер менен баалашкан.
16S PCR жана Nanopore шарттары
Булак китепкана даярдоодо DNA 16S Barcoding Kit 24 V14 протоколун колдонуп, стандарттуу LongAmp аралашмасынын ордуна repliQa HiFi ToughMix колдонгон.
PCR программасы:
- 98 °Cде 3 секунд баштапкы денатурация,
- 35 цикл: 98 °Cде 10 секунд, 55 °Cде 5 секунд, 68 °Cде 5 секунд,
- 68 °Cде 1 мүнөт акыркы узартуу.
mcrA жана hdrA qPCR
mcrA — methyl-coenzyme M reductase ферментинин альфа суббирдигин коддогон жана метаногенездин терминалдык баскычы менен байланышкан функционалдык маркер. hdrA болсо heterodisulfide reductase subunit A гени жана метаногендик энергия метаболизминин маанилүү бөлүгү.
qPCR жалпы 10 µL көлөмдө жүргүзүлгөн:
- 5 µL Power Track SYBR Green Master Mix,
- 0,5 µL 10 µM алдыга праймер,
- 0,5 µL 10 µM артка праймер,
- 4 µL plasmid же DNA шаблону.
qPCR жылуулук программасы:
- 95 °Cде 5 мүнөт,
- 40 цикл: 95 °Cде 10 секунд, 55 °Cде 1 мүнөт жана 72 °Cде 10 секунд.
Ген көчүрмөлөрүнүн саны Ct маанилери жана Supplementary Table S3тө берилген стандарттык ийри теңдемелери менен эсептелген. Бул стандарттык ийри теңдемелери жүктөлгөн негизги PDFде болбогондуктан, бул жерде кайра түзүлгөн эмес.
Микробдук коомчулуктагы эки фазанын ортосундагы өзгөрүү
| Genus | Фаза 1 | Фаза 2 үчүн булакта көрсөтүлгөн багыт |
|---|---|---|
| Azonexus | %7,8–26,3 | %20,5–43,3; акырындап көбөйгөн жана туруктуу коомчулук мүчөсү |
| Acetobacterium | %14,4–38,0 | Төмөнүрөөк салыштырмалуу молдук; тең салмактуу функционалдык роль тууралуу чечмелөө |
| Alistipes | %6,5–11,3 | %2,0–12,9 |
| Gudongella | %8,3–18,9 | %0–7,5 |
| Pseudomonas | %6,6–10,6 | Булактын негизги текстинде Фаза 2 диапазону өзүнчө баса белгиленген эмес |
| Tepidimonas | %2,6–9,3 | %3,1–5,7 |
Бета ар түрдүүлүк анализи иштөө режиминин микробдук коомчулукка маанилүү таасирин көрсөткөн: PERMANOVA R = 0,5 жана p < 0,05. Genus деңгээлинде 20 таксон Фаза 1 менен Фаза 2 ортосунда түзөтүлгөн FDR < 0,05 менен айырмаланган молдукту көрсөткөн.
Ацетат чындап өлчөндүбү?
Жок. Булакта ацетат жана башка өлчөнгөн учуучу май кислоталары эксперимент бою аныктоо чегинен төмөн болгон; ацетат үчүн билдирилген чек <0,1 mg L−1.
Ошого карабастан авторлор коомчулуктун курамына жана мурдагы адабияттарга таянып, ацетат тез өндүрүлүп, ошол эле ылдамдыкта керектелген метаболикалык аралык продукт болушу мүмкүн экенин талкуулашат. Бул ацетаттын топтолушун түз өлчөө эмес.
Spearman корреляцияларынын мааниси
Фаза 1де Acetobacterium, Yersinia, Entomomonas, Pinisolibacter, Andresenia жана Enterobacter сыяктуу айрым genusтар mcrA жана hdrA көчүрмө сандары менен терс корреляция көрсөткөн. Айрым таксондордун өткөрүмдүүлүк менен оң байланышы да байкалган.
Фаза 2де Xanthobacter, Anaerosporomusa жана Comamonas mcrA, hdrA жана CH₄ өндүрүшү менен оң байланыштарды көрсөткөн; бирок булак бардык байланыштар статистикалык маанилүүлүккө жетпегенин ачык белгилейт.
Lentimicrobium, Oryzisoilbacter жана Rhodopseudomonas үчүн метаногендик ген молдугу жана CH₄ өндүрүшү менен күчтүү оң корреляциялар байкалган.
Бул корреляциялар функционалдык өз ара аракеттенүү жөнүндө гипотеза түзөт; белгилүү бир бактерия метан өндүрүшүн түздөн-түз көбөйтөт деп өз алдынча далилдебейт.
Изилдөөнүн күчтүү жактары
- Бир клетканын ордуна үч клеткалуу BEM стеги 83 күн бою изилденген.
- Электролит курамы, ток тыгыздыгы жана CO₂ жеткиликтүүлүгү бир эле эксперименттик системада чогуу бааланган.
- Суюк фазанын өткөрүмдүүлүгү, pH, ион концентрациялары, газ курамы жана эриген CO₂ чогуу көзөмөлдөнгөн.
- Ион crossover сандык заряд салымы катары эсептелген.
- Электрохимиялык жоготуулар pH, суюк фаза каршылыгы жана чечилбеген жоготуулар болуп ажыратылган.
- 16S rRNA коомчулук анализи функционалдык mcrA/hdrA qPCR менен толукталган.
- Микробдук коомчулук өзгөрүүлөрү PERMANOVA, FDR менен көзөмөлдөнгөн дифференциалдык молдук жана Spearman корреляциялары аркылуу бааланган.
- Чийки маалымат үчүн Zenodo репозиторийи берилген.
Изилдөөнүн чектөөлөрү
- Система лабораториялык масштабда; өнөр жай BEM түзмөгү эмес.
- CO₂ деңгээли автоматтык жабык контурдук көзөмөл менен эмес, кол менен жөнгө салынган.
- Католит жана анолит курамдарынын эксперимент учурунда өзгөрүшү айрым өзгөрмөлөрдүн бир убакта өзгөрүшүнө алып келген; ар бир таасир толук көз карандысыз фактордук эксперимент эмес.
- 38-күнү кайра инокуляция жүргүзүү микробдук Фаза 1/Фаза 2 салыштыруусун чечмелөөдө кошумча өзгөрмө болуп саналат.
- 16S rRNA праймерлери археялык организмдерди жетиштүү сезгичтик менен кармаган эмес.
- Микробдук үлгүлөр түздөн-түз катод биофильминен эмес, bulk католиттен алынган.
- Spearman корреляциялары себептүүлүктүн далили эмес.
- Ацетат жана башка VFAлар аныкталбагандыктан, ацетат-арачылыктуу метаболикалык байланыш түз зат агымын өлчөө менен ырасталган эмес.
- Cl₂ аналитикалык түрдө аныкталган эмес, мүмкүн болгон кошумча реакция катары гана талкууланган.
- ηunknown термини активдешүү, мембрана жана масса ташуу сыяктуу бир нече чечилбеген жоготууну бирге камтыйт.
- CO₂нин мембранадан өтүшү бардык убактарда толук көмүртек балансы менен түздөн-түз ажыратылган эмес.
- Электрод материалдарынын кыйла жогорку ток тыгыздыктарында узак мөөнөттүү туруктуулугу бул изилдөө менен ырасталган эмес.
- Булактын Conclusion бөлүгүндөгү 0,96 ± 0,33 L-CH₄ L−1катод күн−1 “best results” мааниси менен 3-таблицадагы акыркы фазадагы 1,1 ± 0,3 маани бирдей түрдө билдирилген эмес; Verianla бул айырманы жашырбайт.
- LSV тексти 25 → 70 A m−2 өзгөрүшүн “1,8× enhancement” деп билдирет; чийки маанилер акыркы ток болжол менен 2,8 эсе, өсүү көлөмү болсо болжол менен %180 экенин көрсөтөт.
Изилдөө колдогон жана колдобогон жыйынтыктар
| Изилдөө колдойт | Изилдөө колдобойт |
|---|---|
| Ашыкча иондук crossover катоддо туз топтолушу жана метаногендик көрсөткүчтөрдүн төмөндөшү менен байланыштуу экени. | Ар бир BEM системасында жалгыз оптималдуу өткөрүмдүүлүк мааниси 18 же 19 mS cm−1 экени. |
| Электролит-Aдан өткөрүмдүүлүгү төмөн Электролит-Bге жарым-жартылай өтүү системанын калыбына келиши менен коштолгону. | Электролит-B бардык реактор, микроб жана агынды суу түрлөрүндө универсалдуу оптималдуу экени. |
| 6 A m−2ден 12 A m−2ге көтөргөндө ашыкча H₂ топтолбостон электрометаногенез уланганы. | Андан да жогорку ток тыгыздыктары ушундай эле көйгөйсүз иштей турганы. |
| Эриген CO₂ төмөн режимдерде CH₄ тазалыгы жогорулап, өндүрүү ылдамдыгы болжол менен 1,1 L L−1 күн−1 деңгээлинде сактала алары. | CO₂ни мүмкүн болгон эң төмөн деңгээлде кармоо ар дайым эң жакшы иштөө стратегиясы экени. |
| Na⁺, K⁺ жана фосфат маанилүү заряд ташуучулар экени. | Мембранадагы бардык заряд бир гана протондор менен ташылары. |
| Cl⁻ жүрүм-туруму жана анод потенциалы Cl₂ пайда болушу мүмкүн экенин көрсөтөрү. | Cl₂ экспериментте аналитикалык түрдө так аныкталганы. |
| 16S праймерлеринин бир жактуулугу археялык метаногендерди өткөрүп жибериши мүмкүн экени жана qPCR функционалдык гендери толуктоочу маалымат берери. | 16S маалымат топтомунда архея жок болушу метаногендер системада жок экенин көрсөтөрү. |
| Микробдук коомчулук менен иштөө шарттарынын ортосунда маанилүү байланыштар табылганы. | Spearman корреляциялары белгилүү бактериялар CH₄ өндүрүшүнө түз себеп болорун далилдегени. |
| Үч клеткалуу лабораториялык стек 83 күн бою көзөмөлдүү түрдө иштете алынганы. | Өнөр жай масштабындагы BEM системасы экономикалык, механикалык жана биологиялык жактан ырасталганы. |
Масштабды чоңойтуу жагынан изилдөөчүлөр чыгарган сабактар
Булак үч негизги көзөмөл огун бөлүп көрсөтөт: электролит курамы жана ион crossover башкаруусу, электрон агымын аныктаган гальваностатикалык иш чекити жана CO₂нин суюк фазадагы жеткиликтүүлүгү.
Чоңураак системаларда мембрана жана суюк фаза каршылыктарын азайтуу, хлор сыяктуу каалабаган кошумча реакциялардын алдын алуу, жогорку ток тыгыздыктарына чыдамдуу электроддорду иштеп чыгуу жана CO₂/электролит башкаруусун автоматташтыруу керектиги белгиленет.
Бул сунуштар келечектеги масштабды чоңойтуу үчүн инженердик багыттар. Изилдөөнүн өзү өнөр жай өндүрүш кубаттуулугун, капиталдык чыгымды, жашоо циклинин анализин же коммерциялык метандын наркын эсептеген эмес.
Изилдөөнүн негизги илимий жыйынтыгы
Бул изилдөөнүн негизги жыйынтыгы — BEM стегинин көрсөткүчтөрүн бир гана электрод потенциалына же микробдук коомчулукка карап түшүндүрүү мүмкүн эмес. Электрохимиялык иштөө, электролит химиясы, мембрана аркылуу ион ташылышы, CO₂ масса өткөрүлүшү жана микробдук активдүүлүк өз ара байланышкан.
Жогорку өткөрүмдүүлүк башында электрдик жактан артыкчылык бергени менен, узак мөөнөттүү ион crossover католитте туз топтолушуна алып келип, метаногендик активдүүлүктү баскан. Ион курамы төмөн Электролит-B менен католитти жарым-жартылай алмаштыруу бул басымды азайтып, CH₄ өндүрүшүн кайра жогорулаткан.
Ошол эле учурда эриген CO₂ни көзөмөлдүү түрдө азайтуу чыгуу газындагы айландырылбаган CO₂ көлөмүн төмөндөтүп, CH₄ тазалыгын жогорулаткан. Натыйжа BEM масштабын чоңойтууда “көбүрөөк ток” же “көбүрөөк CO₂” ыкмасы гана жетишсиз экенин; электрон, ион жана көмүртек агымдары чогуу шайкеш келтирилиши керектигин көрсөтөт.
Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү
Түпнуска аталышы: Role of electrolytes composition, ionic crossover and CO2 availability in bioelectrochemical methanation
Авторлор: Maria Vega-Paredes; Simone Colantoni; Amanda Gómez-Rodríguez; Marina Martín-Sandoval; Pablo Sánchez-Cueto; Radu Ghemis; Sebastià Puig; Daniele Molognoni; Eduard Borràs.
Жооптуу автор: Daniele Molognoni.
Тең салым: Булакта тең биринчи авторлук же тең салым жөнүндө билдирүү жок.
Мекеме 1: Leitat, Circular Economy and Decarbonization Department, C/ de la Innovació 2, Terrassa, Barcelona 08225, Spain.
Мекеме 2: LEQUiA, Institute of the Environment, University of Girona, Facultat de Ciències, 69, Girona 17071, Spain.
Мекеме 3: Pla Serra Húnter, Generalitat de Catalunya, Via Laietana 2, Barcelona 08003, Spain.
Журнал: Journal of CO2 Utilization.
Басмакана: Elsevier Ltd.
Библиографиялык жазуу: Journal of CO2 Utilization, Volume 108 (2026), Article 103460.
DOI: 10.1016/j.jcou.2026.103460
Расмий шилтеме: https://doi.org/10.1016/j.jcou.2026.103460
Жарыялоо убакыт тартиби: Received: 4-февраль 2026; revised: 4-май 2026; accepted: 13-май 2026; available online: 22-май 2026.
Булактын түрү: Рецензияланган оригиналдуу эксперименттик изилдөө; лабораториялык масштабдагы үч клеткалуу BEM stack изилдөөсү.
Лицензия: Creative Commons Attribution 4.0 International — CC BY 4.0.
Preprint абалы: Каралган документ жарыяланган журналдык макала. Булакта өзүнчө preprint идентификатору көрсөтүлгөн эмес.
Эксперименттин узактыгы: 83 күн.
Клеткалардын саны: Үч эки камералуу BEM клеткасы.
Ток тыгыздыгы: Алгачкы 14 күн 6 A m−2, андан кийин 12 A m−2; нормалдаштыруу 100 cm² катоддун тегиз аянтына карата жүргүзүлгөн.
Иштөө температурасы: Католит 35 °C.
Мембрана: CMHPP RALEX катион алмаштыруучу мембрана, 100 cm².
Анод: IrO₂ негизиндеги mixed-metal-oxide капталган титан тор; 9 cm²; 12 g m−2 каптама.
Катод: Болжол менен 10 g INOX 434 дат баспас болот жүнү.
Референс электрод: Ag/AgCl, 3 M KCl, +208 mV vs SHE.
Католит/анолит рециркуляциясы: 200 mL dk−1.
Газ берүү: %99,995 CO₂; 20 mL dk−1; эриген CO₂ сенсоруна жараша кол менен үзгүлтүктүү көзөмөл.
Электрохимиялык мүнөздөмө: LSV; 1 mV s−1; −0,50дөн −1,20 V vs Ag/AgClге чейин.
Ион анализи: Аниондор ICS-3000 ион хроматографиясы; Na⁺, K⁺, Ca²⁺ жана Mg²⁺ Agilent 8900 ICP-QQQ ICP-MS.
Газ анализи: BlueSens BCP сенсорлору жана Agilent 490 Micro GC Natural Gas Analyzer.
Микробиология: Full-length 16S rRNA Oxford Nanopore MinION + mcrA/hdrA qPCR; маалымат талдоосу R Studio, phyloseq жана microeco.
Статистика: Микробдук коомчулук үчүн PERMANOVA, дифференциалдык молдукта FDR түзөтүүсү жана Spearman корреляциялык анализи колдонулган. Негизги көрсөткүч таблицалары орточо ± стандарттык четтөө катары берилген.
Каржылоо: Европа Биримдигинин Horizon Europe Research and Innovation Program алкагындагы NET-Fuels долбоору, Grant No. 101083780. Sebastià Puig Serra Hunter Fellow (UdG-AG-575) болуп, ICREA Academia Award колдоосун билдирген. LEQUIA Catalan Government тарабынан Ref. 2021 SGR01352 алкагында таанылган.
Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор изилдөөгө таасир этиши мүмкүн болгон коммерциялык же финансылык байланыш жок экенин билдиришкен.
Жасалма интеллектти колдонуу жөнүндө билдирүү: Авторлор ишти даярдоодо тексттин окулушун жакшыртуу максатында COPILOT колдонушканын; андан кийин мазмунду карап чыгып, түзөтүшкөнүн жана жарыяланган мазмун үчүн толук жоопкерчилик аларын билдиришкен.
Маалыматтардын жеткиликтүүлүгү: Изилдөөнүн маалымат топтому Zenodoдо DOI 10.5281/zenodo.16994844 менен жарыяланган. Кошумча материал макаланын DOI жазуусунун астында онлайн берилген.
CRediT — Daniele Molognoni: Writing – review & editing; Supervision; Project administration; Methodology; Funding acquisition; Conceptualization.
CRediT — Sebastià Puig: Writing – review & editing; Supervision.
CRediT — Eduard Borràs: Writing – review & editing; Supervision; Resources; Project administration; Funding acquisition.
CRediT — Marina Martín-Sandoval: Writing – review & editing; Visualization; Investigation; Data curation.
CRediT — Amanda Gómez-Rodríguez: Writing – review & editing; Investigation; Data curation.
CRediT — Radu Ghemis: Writing – review & editing; Supervision; Resources.
CRediT — Pablo Sánchez-Cueto: Writing – review & editing; Data curation.
CRediT — Simone Colantoni: Writing – original draft; Visualization; Validation; Methodology; Investigation; Formal analysis; Data curation; Conceptualization.
CRediT — Maria Vega-Paredes: Writing – original draft; Visualization; Validation; Investigation; Data curation.
Булак ичиндеги CH₄ тазалыгы боюнча эскертүү: 3-сүрөттөгү өзүнчө micro-GC үлгүлөрүндө 72 жана 82-күндөрү CH₄ үлүшү %96дан ашса, 3-таблица акыркы фазанын орточо CH₄ маанисин %87,6 ± 2,6 деп берет. Булар үлгү алуу/жалпылоонун ар башка деңгээлдери.
Булак ичиндеги өндүрүү ылдамдыгы боюнча эскертүү: 3-таблица акыркы фаза үчүн 1,1 ± 0,3 L-CH₄ L−1катод күн−1 берсе, Conclusion төмөн CO₂ шарттарындагы “best results” сөзүндө 0,96 ± 0,33 L-CH₄ L−1катод күн−1 маанисин колдонот. Булак бул эки сандын эсептелүү айырмасын ачык түшүндүрбөйт.
LSV сөз айкашы боюнча эскертүү: Булак 25 → 70 A m−2 өзгөрүшүн “1.8x enhancement” деп билдирет. Чийки маанилердин катышы 2,8; өсүү көлөмү болсо болжол менен %180. Ошондуктан Verianla булак текстин жана арифметикалык мамилени өзүнчө көрүнүктүү сактайт.
Cl₂ чеги: Cl₂ аналитикалык түрдө аныкталган эмес; электрохимиялык шарттар жана сапаттык жыт байкоолоруна байланыштуу мүмкүн болгон кошумча реакция катары гана талкууланган.
Микробиология чеги: 16S rRNA үлгүлөрү bulk католиттен алынган жана праймердин бир жактуулугунан улам метаногендик археяларды көрсөткөн эмес. Электрод биофильминин түз мейкиндиктик коомчулук анализи жүргүзүлгөн эмес.
Масштабды чоңойтуу чеги: Изилдөө лабораториялык масштабдагы үч клеткалуу стек. Өнөр жай масштабы, автоматтык CO₂ көзөмөлү, экономикалык мүмкүнчүлүк же узак мөөнөттүү коммерциялык туруктуулук түздөн-түз сыналган эмес.
Пикир калтырыңыз
E-mail дарегиңиз жарыяланбайт. Милдеттүү талаалар * менен белгиленген