Metanation ya kibioelektrokemia (Bioelectrochemical Methanation, BEM) ni mbinu ya matumizi ya kaboni na power-to-gas inayobadilisha dioksidi kaboni (CO₂) kuwa methani sintetiki (CH₄) kupitia sawia za ureduksi wa kielektriki na shughuli ya kichocheo ya vijidudu vya metanojeni. Utafiti huu uliendesha kwa hali ya galvanostatic kwa siku 83 rundo la kiwango cha maabara lenye seli tatu za BEM zenye vyumba viwili; ukachunguza athari za pamoja za muundo wa elektroliti, uvukaji wa ioni kupitia utando, msongamano wa mkondo uliowekwa na kiasi cha CO₂ iliyoyeyushwa katika uzalishaji wa CH₄, usafi wa CH₄, ufanisi wa Kuloni, matumizi ya nishati na jumuiya ya vijidudu.

Rundo liliendeshwa kwa msongamano wa mkondo wa 6 A m⁻² kwa siku 14 za kwanza, kisha 12 A m⁻². Mkusanyiko wa CO₂ iliyoyeyushwa katika katoliti ulipunguzwa hatua kwa hatua katika kipindi cha utafiti kutoka takribani 1,1–0,55 g L⁻¹ hadi 0,22–0,055 g L⁻¹ katika awamu ya mwisho. Mwanzoni Elektroliti-A yenye upitishaji umeme wa juu zaidi ilitumika; baada ya upitishaji wa katoliti kuongezeka hadi takribani 22 mS cm⁻¹ kutokana na uvukaji wa ioni na shughuli ya metanojeni kudhoofika, %30 ya katoliti ilibadilishwa siku ya 44 kwa Elektroliti-B yenye upitishaji umeme wa chini. Mabadiliko haya yalipunguza upitishaji wa katoliti hadi 16,9 mS cm⁻¹ na yalihusishwa na kurejea kwa uzalishaji wa methani.

Kupunguza CO₂ iliyoyeyushwa kuliongeza usafi wa gesi bila kupunguza kasi ya uzalishaji wa CH₄. Katika awamu ya mwisho ya siku 76–83, wastani wa muundo wa CH₄ uliripotiwa kuwa %87,6 ± 2,6, kasi mahususi ya uzalishaji wa CH₄ kuwa 1,1 ± 0,3 L-CH₄ L⁻¹_katodi siku⁻¹, na wastani wa ufanisi wa Kuloni wa katodi kuwa %69,7 ± 14,5. Katika jaribio lote, ufanisi wa Kuloni wa katodi wa papo hapo ulifikia %99 na kasi ya papo hapo ya uzalishaji wa CH₄ ilifikia 1,9 L-CH₄ L⁻¹_katodi siku⁻¹.

Kuna viwango tofauti vya muhtasari wa data kwa muundo wa gesi. Katika sampuli mahususi za micro-GC katika Kielelezo 3 cha chanzo, uwiano wa CH₄ ulizidi %96 katika siku 72 na 82, ilhali Jedwali 3 linatoa wastani wa awamu ya mwisho ya uendeshaji kuwa %87,6 ± 2,6. Muhtasari wa makala unafupisha matokeo haya kama “hadi %88”, huku sehemu ya hitimisho ikiyafupisha kama “takribani usafi wa %90” chini ya hali ya CO₂ iliyoyeyushwa ya chini. Thamani hizi si ukubwa uleule wa kitakwimu na hazipaswi kutumiwa badala ya nyingine.

Usawazishaji wa ioni ulionyesha kuwa chaji inayosafirishwa kupitia utando haijumuishi protoni pekee. Na⁺ na K⁺ zilikuwa wabebaji muhimu wa chaji za kationi, na aina za fosfati zilionyesha mtiririko mkubwa wa ioni hasa katika kipindi cha mwanzo cha jaribio. Ingawa CEM imeundwa kupunguza usafirishaji wa anioni, anioni kama Cl⁻ na PO₄³⁻ pia zilivuka utando chini ya gradienti kali za mkusanyiko. Uhamaji huu wa ioni uliongeza chumvi katika katoliti na kuchangia tofauti ya pH kati ya anoliti na katoliti pamoja na hasara za ohmic.

Uchambuzi wa vijidudu ulifanywa kwa mbinu mbili tofauti. Ufuatiliaji wa full-length 16S rRNA kwa Nanopore ulionyesha hasa sehemu ya bakteria ya jumuiya, lakini arkea za metanojeni hazikugunduliwa katika seti hii ya data, huenda kutokana na upendeleo wa primer zilizotumika. Kwa upande mwingine, jeni tendaji mcrA na hdrA zinazohusiana na methanogenesis zilipimwa kwa qPCR na kuunga mkono uwepo wa jumuiya hai ya metanojeni. Tofauti hii inaonyesha kwamba hitimisho “arkea hazikuonekana katika data ya 16S” halimaanishi “hakukuwa na metanojeni katika reactor”.

Kikomo cha tafsiri ya utafiti ni muhimu. Ingawa mfumo una seli tatu, ni wa kiwango cha maabara; utoaji wa CO₂ ulifanywa kwa mkono, sampuli za vijidudu zilichukuliwa kutoka katoliti ya wingi badala ya biofilm iliyoshikamana na elektrodu, na uendeshaji wa muda mrefu wa kiotomatiki katika kiwango cha viwanda haukuthibitishwa. Matokeo ni mwongozo kwa mikakati ya kupanua kiwango cha BEM, lakini si dhamana ya utendaji katika kiwango cha kibiashara.

Tatizo la utafiti ni nini?

Katika mifumo ya BEM, kuharakisha tu athari za elektrodu hakutoshi. Maeneo matatu tofauti yanahitaji kusawazishwa kwa wakati mmoja: uhamishaji wa elektroni wa kielektrokemia, usafirishaji wa ioni na CO₂ katika awamu ya kimiminika, na mahitaji ya kifiziolojia ya jumuiya ya vijidudu vya metanojeni.

Upitishaji umeme wa juu zaidi wa elektroliti unaweza kupunguza ukinzani wa ohmic. Kwa upande mwingine, mkusanyiko mkubwa wa ioni na uvukaji endelevu wa ioni kupitia utando unaweza kusababisha mkusanyiko wa chumvi katika katoliti, msongo wa kiosmotiki na kukandamizwa kwa shughuli ya metanojeni. Kwa hiyo, hali ya elektroliti inayoonekana kuwa na faida kielektrokemia inaweza kuwa mbaya kibayolojia.

Usawazishaji unaofanana pia upo kwa CO₂. Ulishaji wa CO₂ wa juu sana unaweza kuongeza upatikanaji wa kaboni kwa vijidudu; lakini CO₂ inayobaki bila kubadilishwa hupunguza CH₄ katika gesi ya kutoka na inaweza kuongeza kiasi cha kaboni kinachovuka utando kwenda upande wa anodi. CO₂ ya chini sana, kwa upande mwingine, inaweza kinadharia kusababisha ukomo wa substrati. Utafiti ulichunguza kwa majaribio eneo la uendeshaji kati ya ncha hizi mbili.

Metanation ya Kibioelektrokemia (BEM) ni Nini?

Metanation ya kibioelektrokemia ni mfumo wa kielektrokemia wa vijidudu ambamo sawia za ureduksi zinazohitajika ili CO₂ iredukshwe kuwa CH₄ na vijidudu katika biokatodi hutolewa kwa umeme; uhamishaji wa elektroni unaweza kutokea moja kwa moja kupitia mwingiliano wa seli–elektrodu au kwa njia zisizo za moja kwa moja, kama matumizi ya H₂ inayozalishwa kielektrokemia na metanojeni za hidrojeniotrofi, na utafiti huu haukutenganisha moja kwa moja mchango wa jamaa wa njia hizi mbili.

Elektromethanogenesis ya moja kwa moja na isiyo ya moja kwa moja

Chanzo kinaeleza makundi mawili ya jumla ya mekanizimu za ubadilishaji wa CO₂ kuwa CH₄ katika BEM. La kwanza ni metanojeni kupokea elektroni za nje ya seli moja kwa moja kutoka katodi. La pili, na njia ambayo mara nyingi huonekana kuwa muhimu katika mifumo ya vitendo, ni H₂ kuundwa kwanza katika katodi kupitia hydrogen evolution reaction na kisha metanojeni za hidrojeniotrofi kutumia H₂ hiyo katika ureduksi wa CO₂.

Utafiti huu si jaribio la isotopi au la kutenganisha mekanizimu linalopima mchango wa asilimia wa mekanizimu hizo. Kwa hiyo, uzalishaji mkubwa wa CH₄ haupaswi kutumiwa kama ushahidi kwamba upokeaji wa moja kwa moja wa elektroni au njia inayopatanishwa na H₂ ndiyo pekee inayotawala.

Muundo wa kimwili wa mfumo wa BEM wenye seli tatu

Katika utafiti, seli tatu bapa zenye vyumba viwili zilizoitwa BEM 1, BEM 2 na BEM 3 zilitumika. Eneo la mkato wa kila seli ni 100 cm², unene wake 2 cm na ujazo wa kila chumba ni 200 mL.

Anodi ni elektrodu ya wavu wa titani wa 9 cm² iliyopakwa mixed-metal-oxide yenye msingi wa IrO₂ kwa 12 g m⁻². Chumba cha katodi kina takribani 10 g ya pamba ya chuma cha pua INOX 434. Vyumba vya anodi na katodi vilitenganishwa na utando wa ubadilishanaji wa kationi wa RALEX CMHPP wenye 100 cm².

Kila seli iliendeshwa kwa chanzo tofauti cha umeme. Kwa hiyo, usemi “stack yenye seli tatu” haumaanishi kuwa seli zote zilikuwa katika mzunguko mmoja wa umeme wa mfululizo. Seli ziliendeshwa pamoja kupitia mizunguko ya pamoja ya anoliti na katoliti, lakini zilipewa umeme na vyanzo tofauti.

Mzunguko wa anoliti na katoliti

Anoliti za seli tatu ziliunganishwa na hifadhi ya pamoja ya 2 L, na katoliti ziliunganishwa na hifadhi ya pamoja ya 3 L. Mtiririko katika mizunguko yote miwili ya kimiminika ulikuwa 200 mL dk⁻¹.

Mzunguko wa anodi ulihifadhiwa katika shinikizo la ziada la 180–200 mbar na O₂ iliyozalishwa ilitenganishwa na kimiminika katika njia ya gesi ya pamoja. Mzunguko wa katodi pia uliendeshwa katika kiwango kilekile cha shinikizo na mchanganyiko wa gesi wa CH₄/CO₂ uliotokea ulitenganishwa na awamu ya kimiminika.

Joto la katoliti lilidumishwa katika 35 °C kwa kutumia kibadilisha-joto cha sahani na thermostat. CO₂ iliyoyeyushwa ilifuatiliwa mfululizo katika njia ya mzunguko wa katoliti kwa sensa ya InPro5000i.

Tofauti kati ya Elektroliti-A na Elektroliti-B

Elektroliti-A ina maudhui ya fosfati ya juu zaidi na upitishaji wa awali takribani mara nne zaidi. Elektroliti-B ilitumika ili kuwa na nguvu ya ioni ya chini na kuwakilisha mazingira yaliyo karibu zaidi na maji taka halisi yaliyotibiwa na kupungukiwa virutubisho.

Upitishaji wa chini wa Elektroliti-B pekee haumaanishi kuwa ni “elektroliti bora zaidi”. Usawazishaji mkuu unaoonyeshwa na utafiti ni hitaji la kiwango bora kati ya upitishaji wa ioni unaotosha na chumvi inayokubalika kwa vijidudu.

Kwa Nini Uvukaji wa Ioni Ulizuia Utendaji wa BEM?

Uvukaji wa ioni ni usafirishaji wa jumla wa Na⁺, K⁺, fosfati, Cl⁻ na ioni nyingine kupitia CEM kutokana na uga wa umeme na tofauti za mkusanyiko kati ya elektroliti za anodi na katodi; katika utafiti huu, hasa mkusanyiko wa kationi katika katodi uliinua upitishaji wa katoliti hadi takribani 22 mS cm⁻¹, chumvi nyingi ziliambatana na kupungua kwa uzalishaji wa methani, na mfumo ulipata nafuu baada ya kubadilisha sehemu ya katoliti kwa Elektroliti-B iliyochanganywa zaidi.

Je, CEM husafirisha protoni pekee?

Hapana. Ingawa utando wa ubadilishanaji wa kationi huchangia kupitisha protoni, katika mazingira halisi ya elektroliti sehemu kubwa ya chaji ya umeme inaweza kubebwa na kationi nyingine. Katika utafiti huu Na⁺ na K⁺ zilibainishwa kuwa wabebaji wakuu wa chaji ya kationi.

Pia, kuzuia anioni kwa utando hakukumaanisha kizuizi kamili. Chini ya gradienti kali za mkusanyiko, anioni kama Cl⁻ na hasa PO₄³⁻ pia zilivuka utando kwa usambaaji.

Kwa nini upitishaji wa katoliti uliongezeka?

Katoliti ilikuwa na upitishaji wa takribani 9,5 mS cm⁻¹ mwanzoni, lakini uliongezeka hadi 22 mS cm⁻¹ karibu na siku ya 44. Waandishi wanahusisha ongezeko hili kwa kiasi kikubwa na mkusanyiko wa kationi zilizovuka kutoka upande wa anodi kwenda katodi.

Kiwango cha takribani 22 mS cm⁻¹ kinazidi thamani ya takribani 18 mS cm⁻¹ inayolingana na kikomo cha uvumilivu wa chumvi cha Methanobacteria kilichoelezwa katika chanzo. Katika kipindi kilekile, kupungua kwa kasi ya uzalishaji wa CH₄ hadi 0,2 ± 0,1 L-CH₄ L⁻¹_katodi siku⁻¹ kulionekana kuendana na chumvi nyingi.

Siku ya 44, kubadilisha %30 ya Elektroliti-A kwa Elektroliti-B kulipunguza upitishaji hadi 16,9 mS cm⁻¹ na baadaye kuuweka chini ya 19 mS cm⁻¹. Baada ya kuondoa kipindi cha siku saba cha kuzoea, kasi ya uzalishaji wa CH₄ ilirejea hadi 1,1 ± 0,3 L-CH₄ L⁻¹_katodi siku⁻¹.

Kwa Nini CO₂ Iliyoyeyushwa ya Chini Zaidi Iliongeza Usafi wa CH₄?

Katika utafiti huu, kiwango cha chini zaidi cha CO₂ iliyoyeyushwa kiliongeza asilimia ya CH₄ kwa kupunguza kiasi cha CO₂ isiyobadilishwa katika gesi ya kutoka bila kuondoa kabisa kaboni inayohitajika na metanojeni; katika awamu ya mwisho, katika kiwango cha 0,22–0,055 g-CO₂ L⁻¹, wastani wa usafi wa CH₄ ulikuwa %87,6 ± 2,6 huku kasi ya uzalishaji ikidumishwa katika 1,1 ± 0,3 L-CH₄ L⁻¹katodi siku⁻¹.

Kwa nini CO₂ nyingi sana inaweza kuwa tatizo?

Shinikizo sehemu la CO₂ linapoongezeka, kiasi cha CO₂ iliyoyeyushwa katika kimiminika huongezeka kwa mujibu wa sheria ya Henry. Hii inaweza kuongeza upatikanaji wa chanzo cha kaboni kwa vijidudu; hata hivyo, CO₂ inayobaki bila kubadilishwa hupunguza moja kwa moja CH₄ katika gesi ya kutoka ya katodi.

CO₂ iliyoyeyushwa pia inaweza kuvuka CEM kwa usambaaji katika umbo lisilo na chaji la CO₂(aq). Kaboni hii inaweza kuchanganyika na gesi ya O₂ upande wa anodi na kupunguza usafi wa bidhaa ya oksijeni.

Kwa hiyo, lengo si kupunguza CO₂ hadi kiwango cha chini kabisa kinachowezekana; ni kupata eneo la uendeshaji linalokidhi hitaji la kaboni la metanojeni bila kusababisha upunguzaji mkubwa wa gesi au upotevu wa kaboni.

Kikomo cha majaribio cha udhibiti wa CO₂

CO₂ yenye usafi wa %99,995 ilitolewa kama gesi kwa mtiririko wa 20 mL dk⁻¹ kwenda katoliti kupitia diffuser yenye vinyweleo. Hata hivyo, ulishaji uliwashwa na kuzimwa kwa mkono kwa kusoma sensa ya CO₂ iliyoyeyushwa.

Kwa sababu hiyo, viwango lengwa vya CO₂ iliyoyeyushwa havikudumishwa kwa ukamilifu katika udhibiti wa kitanzi kilichofungwa wa wakati halisi. Waandishi wanahusisha baadhi ya mabadiliko katika uzalishaji wa CH₄ na ufanisi wa Kuloni na udhibiti huu wa mkono.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Ratiba ya jaribio la siku 83

Inokulamu ya metanojeni

Kultura yenye wingi wa metanojeni ilipatikana kutoka tope la digester ya anaerobic katika kituo cha ndani cha kutibu maji taka huko Terrassa. Kwa inokulesheni ya biokatodi, 300 mL ya biomasi iliyotulia iliingizwa katika vyumba vya katodi chini ya hali ya anaerobic.

Baada ya shughuli ya metanojeni kupotea, mchakato wa inokulesheni ulirudiwa siku ya 38. Tukio hili linapaswa kuzingatiwa katika uchambuzi wa jumuiya ya vijidudu, hasa katika kutafsiri mabadiliko baada ya siku ya 44; mabadiliko ya jumuiya hayawezi kutafsiriwa kana kwamba yalisababishwa na mabadiliko ya elektroliti pekee.

Uainishaji wa kielektrokemia

Linear Sweep Voltammetry (LSV) ilifanywa katika hali ya abiotic kabla ya inokulesheni na baada ya siku 28 za uendeshaji. Kasi ya skani ilikuwa 1 mV s⁻¹, na kiwango cha potenshali ya katodi kilikuwa −0,50 hadi −1,20 V vs Ag/AgCl.

Kipimo kilifanywa katika mpangilio wa elektrodu tatu: katodi ilikuwa elektrodu ya kazi, anodi ilikuwa elektrodu pinzani, na elektrodu ya Ag/AgCl (3 M KCl) katika chumba cha katodi ilikuwa elektrodu rejea. Hakukuwa na ulishaji wa nje wa CO₂ wakati wa LSV.

Baada ya ukuaji wa biofilm, mkondo wa ureduksi ulionekana karibu na −0,80 V vs Ag/AgCl na kufikia takribani 70 A m⁻² katika −1,20 V. Katodi ya abiotic ilitoa takribani 25 A m⁻² katika potenshali hiyo hiyo.

Thamani hizi zinaonyesha kuwa msongamano wa mwisho wa mkondo ulikuwa mara 70/25 ≈ 2,8, yaani kulikuwa na ongezeko la takribani %180. Chanzo kinaeleza hili kwa usemi “1,8× enhancement”; huenda usemi huo unarejelea kiasi cha ongezeko. Verianla hutumia thamani ghafi za 25 na 70 A m⁻² kama msingi na haibadilishi kimya kimya usemi wa chanzo.

Jumla ya ziada ya potenshali — Mlinganyo 1

Fomula huhesabu nini? Hugawanya jumla ya ziada ya potenshali ya seli iliyopimwa katika hasara inayotokana na tofauti ya pH, hasara ya ioni inayotokana na ukinzani wa elektroliti, na hasara nyingine ambazo haziwezi kutenganishwa moja moja.

• η_pH: ziada ya potenshali inayotokana na tofauti ya pH kati ya anodi na katodi.
• η_ionic: hasara inayotokana na ukinzani wa umeme wa awamu za kimiminika za anoliti na katoliti.
• η_unknown: istilahi ya pamoja ya michango ambayo haijapimwa tofauti, kama hasara za uanzishaji wa anodi/katodi, ukinzani wa utando na ukinzani mwingine wa usafirishaji.

Katika mgawanyo huu, η_unknown si mekanizimu moja ya kimwili. Ni mabaki ya pamoja yaliyopatikana kwa tofauti kutoka michango mbalimbali isiyopimika.

Ziada ya potenshali inayotokana na pH — Mlinganyo 2

• R: konstanti ya jumla ya gesi, 8,314 J mol⁻¹ K⁻¹.
• T: halijoto kamili, K.
• F: konstanti ya Faraday, 96485 C mol⁻¹.
• pH_cat: pH ya katoliti.
• pH_an: pH ya anoliti.

Kimahesabu, mlinganyo unaonyesha kuwa η_pH huongezeka kadiri tofauti ya pH inavyoongezeka. Katika jaribio, gradienti kubwa ya pH ilitokea kwa sababu pH ya anoliti ilishuka hadi takribani 2 huku katoliti ikibaki karibu na hali ya neutral hadi alkali kidogo.

Ziada ya potenshali ya ukinzani wa elektroliti — Mlinganyo 3

• I_ions: mkondo wa umeme unaolingana na jumla ya mkondo wa chaji unaosafirishwa kupitia utando, A.
• R_an, R_cat: ukinzani wa awamu za kimiminika za anodi na katodi.
• d: umbali kati ya elektrodu na utando, cm.
• A: eneo tendaji la utando, cm².
• σ: upitishaji wa elektroliti, S cm⁻¹.

Kwa kuwa upitishaji σ upo katika kigawanyo cha mlinganyo, upitishaji wa juu zaidi hupunguza hasara ya ohmic ikiwa vigezo vingine vinabaki vilevile. Hata hivyo, faida hii ya kihisabati haijumuishi madhara ya kibayolojia ya chumvi nyingi kwa vijidudu. Usawazishaji mkuu wa kihandisi wa utafiti uko hasa katika hatua hii.

Ziada ya potenshali ya seli — Mlinganyo 4

Hapa, tofauti kati ya volti ya seli ya majaribio na volti ya seli iliyoundwa upya kutoka potenshali za elektrodu tofauti ilichukuliwa kuwa jumla ya ziada ya potenshali.

Volti ya seli iliyoundwa upya — Mlinganyo 5

E_cathode,m na E_anode,m ni potenshali za katodi na anodi zilizopimwa dhidi ya elektrodu rejea katika vyumba vyao.

Matumizi ya nishati — Mlinganyo 6

E_con ni matumizi ya nishati ya umeme ya stack ya BEM kwa kila ujazo wa kitengo cha CH₄ kinachozalishwa chini ya hali za kawaida.

• I_cell,i: mkondo wa seli ya i.
• E_cell,i: volti ya seli ya i.
• n: idadi ya seli katika stack.
• 24 h: muda wa hesabu ya nishati ya kila siku.
• V_CH4: ujazo wa CH₄ unaozalishwa chini ya hali za kawaida.

Wakati wa uendeshaji thabiti wa 12 A m⁻², chanzo kinaripoti wastani wa matumizi ya nishati wa takribani 40 ± 7 kWh Nm⁻³-CH₄ na thamani ya chini ya 27 kWh Nm⁻³-CH₄. Siku ya 48 karibu na mabadiliko ya katoliti, thamani ya 243 kWh Nm⁻³-CH₄ ilifikiwa kwa muda; thamani hii haiwakilishi uendeshaji wa kawaida ulio thabiti.

Mchango wa ioni katika usafirishaji wa chaji — Mlinganyo 7

• Z: chaji ya umeme ya ioni; haina kipimo.
• F: konstanti ya Faraday.
• V: ujazo wa chumba ambamo mkusanyiko wa ioni umepimwa, L.
• Δ[C_ion]: mabadiliko ya mkusanyiko wa ioni katika kipindi husika, mol L⁻¹.
• A: jumla ya eneo la utando, m².
• t: kipindi cha muda, s.

Thamani chanya ya i_ion ina maana kuwa ioni imeingia kwa jumla katika chumba husika, na thamani hasi ina maana kuwa imetoka kwa jumla katika chumba hicho.

Milinganyo ya qPCR ambayo haipo katika PDF kuu

Maandishi ya chanzo yanarejelea Mlinganyo 10 na Mlinganyo 11 kwa hesabu ya idadi ya nakala za jeni mcrA na hdrA; hata hivyo, milinganyo yenyewe haipo katika PDF kuu na inaelekezwa katika Supplementary Information Jedwali S3. Kwa kuwa yaliyomo katika PDF kuu iliyopakiwa hayatoshi kuzalisha upya milinganyo hii kwa uaminifu, Verianla haiandiki kwa kuikisia.

Uchambuzi wa vimiminika na gesi

Maendeleo ya muundo wa gesi

Mara tu baada ya inokulesheni, katika siku ya 2 gesi ya kutoka ya katodi ilikuwa na takribani %85 CO₂, %13 H₂ na takribani %2 CH₄ pekee. Kipindi hiki cha mwanzo kinawakilisha hatua ambayo biomasi ya metanojeni ilikuwa bado haijakomaa kikamilifu.

Baada ya siku ya 2, uwiano wa CH₄ uliongezeka hatua kwa hatua huku CO₂ ikipungua. Katika siku ya 14, CH₄ ikawa gesi kuu; katika kipindi hicho hicho, volti ya seli ilikuwa takribani 2,6 V na ziada ya potenshali iliyopimwa ilikuwa karibu 0,13 ± 0,07 V.

Msongamano wa mkondo ulipoongezwa hadi 12 A m⁻², volti ya seli iliongezeka hadi takribani 3,3–3,7 V. Potenshali ya katodi haikubadilika sana, huku sehemu muhimu ya ongezeko ikihusishwa na ukinzani wa elektroliti na hasara nyingine za mfumo.

Ingawa chanzo kinatafsiri matokeo haya kwa maana kwamba “usafirishaji wa ioni uligeuka kuwa kizuizi kikuu”, kinasisitiza kuwa ndani ya η_unknown kuna michango ambayo haijatatuliwa, kama kinetiki za elektrodu, ukinzani wa utando na usafirishaji wa molekuli. Kwa hiyo haiwezi kusemwa kwa uhakika kwamba ukinzani wa ioni ndio kizuizi pekee.

Muhtasari wa kiasi wa utendaji wa CH₄ kulingana na awamu za uendeshaji

* Ingawa chanzo kinataja kipindi cha 21–44 kwa namna hii katika jedwali, kinaeleza kuwa takwimu zilihesabiwa kutokana na data thabiti hadi siku ya 41.

** Wastani ulioripotiwa kwa kipindi cha 45–63 ulihesabiwa kuanzia siku ya 52 baada ya kuondoa kipindi cha kuzoea kilichofuata mabadiliko ya katoliti.

Kitengo cha safu ya kasi ya uzalishaji wa CH₄ ni L-CH₄ L⁻¹_katodi siku⁻¹.

Gesi ya anodi na uvukaji wa kaboni

Gesi kuu upande wa anodi ilikuwa O₂. Kuanzia siku ya 21, usafi wa O₂ uliripotiwa kuwa takribani %92 na kasi mahususi ya uzalishaji wa O₂ kuwa takribani 3,4 L-O₂ L⁻¹_anodi siku⁻¹.

Uchafu mkuu katika gesi ya O₂ ni CO₂. Chanzo kinatafsiri uvukaji wa CO₂ iliyoyeyushwa kupitia utando kama molekuli isiyo na chaji kuwa sababu muhimu ya jambo hili.

Kiasi kidogo kama %0–7,7 CH₄ na %0–1,7 H₂ pia kilipimwa kwenye anodi na kilionekana kuendana na uvukaji wa gesi kupitia utando.

Thamani za uvukaji wa ioni — anioni

Thamani za uvukaji wa ioni — kationi

Jedwali hili linaonyesha tu mchango halisi uliohesabiwa kutokana na mabadiliko yaliyopimwa ya mkusanyiko wa ioni. Haipaswi kutarajiwa kuwa kila ioni moja itafunga kikamilifu salio lote la chaji; uchukuaji sampuli, athari, aina ambazo hazijapimwa kikamilifu na michakato mingine ya usafirishaji inaweza kuchangia mfumo mzima.

Kloridi na uwezekano wa kuundwa kwa klorini

Katika siku 63 za kwanza, wakati anoliti ilikuwa 0,1 M PPMS, Cl⁻ kwa ujumla ilivuka kutoka katodi kwenda anodi. Anodi ilipobadilishwa kwa Elektroliti-B, mkusanyiko wa Cl⁻ katika anoliti uliongezeka mwanzoni na kisha ukapungua tena.

Waandishi wanajadili kwamba kupungua huku huenda kusiweze kuelezwa na usafirishaji kupitia utando pekee na kwamba katika potenshali ya juu ya anodi, kloridi inaweza kuoksidishwa kuwa Cl₂.

Kikomo cha uhakika hapa ni muhimu sana: Cl₂ haikugunduliwa kwa kifaa cha uchambuzi. Kuundwa kwa klorini ni uwezekano unaotegemea potenshali ya elektrodu na uchunguzi wa kimaelezo unaofanana na harufu ya klorini. Kwa hiyo, kauli “gesi ya klorini ilizalishwa” si matokeo yaliyothibitishwa kwa majaribio.

Uchambuzi wa mikrobiolojia ulifanywaje?

Katika siku 83, sampuli 12 za kimiminika zilichukuliwa kutoka katoliti ya wingi. Tathmini ya mikrobiolojia iligawanywa katika vipindi viwili:

• Awamu 1: kipindi kabla ya mabadiliko ya katoliti.
• Awamu 2: kipindi baada ya mabadiliko ya katoliti.

Sampuli zilichukuliwa kutoka bulk katoliti ili kutoharibu biofilm ya elektrodu. Muundo huu huruhusu ufuatiliaji wa muda mrefu bila kuharibu biofilm; hata hivyo, haupimi muundo wa anga wa jumuiya iliyoshikamana moja kwa moja na uso wa elektrodu.

DNA ilitolewa kwa ZymoBIOMICS DNA Miniprep Kit na mkusanyiko wake ukapimwa kwa Qubit. Amplicon za full-length 16S rRNA za takribani 1,5 kb zilifuatiliwa kwa Oxford Nanopore MinION R10.4.1 flow cell.

Data ghafi za FAST5 zilifanyiwa basecall kwa hali ya Dorado 1.0.1 SUP, zikaainishwa kwa EPI2ME Nextflow 16S rRNA workflow, na hifadhidata ya NCBI 16S + 18S rRNA ikatumika. Uchambuzi wa data ulifanywa katika R Studio kwa vifurushi vya phyloseq na microeco.

Kwa Nini Ufuatiliaji wa 16S rRNA Haukuonyesha Metanojeni Lakini qPCR Ilizionyesha?

Kutokuonekana kwa arkea za metanojeni katika seti ya data ya 16S Nanopore katika utafiti hakumaanishi kuwa mfumo haukuwa na metanojeni, bali kunaonyesha kwamba primer “universal” za SQK-16S114.24 zilizotumika huenda hazikuongeza vya kutosha mfuatano wa arkea; kwa hiyo watafiti walitumia qPCR inayolenga jeni tendaji mcrA na hdrA zinazohusishwa na methanogenesis na kutathmini jumuiya ya metanojeni kwa viashiria hivi huru vya molekuli.

Hali za 16S PCR na Nanopore

Chanzo kilitumia itifaki ya DNA 16S Barcoding Kit 24 V14 katika utayarishaji wa maktaba na kutumia repliQa HiFi ToughMix badala ya mchanganyiko wa kawaida wa LongAmp.

Programu ya PCR:

• denaturation ya awali kwa sekunde 3 katika 98 °C,
• mizunguko 35: sekunde 10 katika 98 °C, sekunde 5 katika 55 °C, sekunde 5 katika 68 °C,
• urefushaji wa mwisho kwa dakika 1 katika 68 °C.

qPCR ya mcrA na hdrA

mcrA ni kiashiria tendaji kinachosimba sehemu ndogo ya alfa ya kimeng’enya methyl-coenzyme M reductase na kinachohusishwa na hatua ya mwisho ya methanogenesis. hdrA ni jeni ya heterodisulfide reductase subunit A na ni sehemu muhimu ya kimetaboliki ya nishati ya metanojeni.

qPCR ilifanywa kwa ujazo wa jumla wa 10 µL:

• 5 µL Power Track SYBR Green Master Mix,
• 0,5 µL 10 µM primer ya mbele,
• 0,5 µL 10 µM primer ya nyuma,
• 4 µL plasmid au kiolezo cha DNA.

Programu ya joto ya qPCR:

• dakika 5 katika 95 °C,
• mizunguko 40: sekunde 10 katika 95 °C, dakika 1 katika 55 °C na sekunde 10 katika 72 °C.

Idadi ya nakala za jeni ilihesabiwa kwa thamani za Ct na milinganyo ya mkunjo wa kawaida iliyotolewa katika Supplementary Table S3. Kwa kuwa milinganyo hii ya mkunjo wa kawaida haipo katika PDF kuu iliyopakiwa, haijaundwa upya hapa.

Mabadiliko kati ya awamu mbili katika jumuiya ya vijidudu

Uchambuzi wa beta diversity ulionyesha athari yenye maana ya utaratibu wa uendeshaji kwa jumuiya ya vijidudu: PERMANOVA R = 0,5 na p < 0,05. Katika kiwango cha genus, taxon 20 zilionyesha wingi tofauti kati ya Awamu 1 na Awamu 2 kwa FDR iliyorekebishwa < 0,05.

Je, acetate ilipimwa kweli?

Hapana. Katika chanzo, acetate na asidi nyingine tete za mafuta zilizopimwa zilibaki chini ya kikomo cha ugunduzi katika jaribio lote; kikomo kilichoripotiwa kwa acetate ni <0,1 mg L⁻¹.

Hata hivyo, kwa msingi wa muundo wa jumuiya na fasihi ya awali, waandishi wanajadili kwamba acetate inaweza kuwa kiungo cha kati cha kimetaboliki kinachozalishwa haraka na kutumiwa kwa kasi hiyo hiyo. Hii si kipimo cha moja kwa moja cha mkusanyiko wa acetate.

Maana ya korelesheni za Spearman

Katika Awamu 1, baadhi ya genera kama Acetobacterium, Yersinia, Entomomonas, Pinisolibacter, Andresenia na Enterobacter zilionyesha korelesheni hasi na idadi ya nakala za mcrA na hdrA. Uhusiano chanya wa baadhi ya taxon na upitishaji pia ulionekana.

Katika Awamu 2, Xanthobacter, Anaerosporomusa na Comamonas zilionyesha uhusiano chanya na mcrA, hdrA na uzalishaji wa CH₄; hata hivyo, chanzo kinaeleza wazi kwamba si mahusiano yote yaliyofikia umuhimu wa kitakwimu.

Korelesheni chanya zenye nguvu na wingi wa jeni za metanojeni pamoja na uzalishaji wa CH₄ zilionekana kwa Lentimicrobium, Oryzisoilbacter na Rhodopseudomonas.

Korelesheni hizi huzalisha nadharia kuhusu mwingiliano wa kiutendaji; peke yake hazithibitishi kwamba bakteria fulani huongeza uzalishaji wa methani moja kwa moja.

Nguvu za utafiti

• Badala ya seli moja, stack ya BEM yenye seli tatu ilichunguzwa kwa siku 83.
• Muundo wa elektroliti, msongamano wa mkondo na upatikanaji wa CO₂ zilitathminiwa pamoja katika mfumo mmoja wa majaribio.
• Upitishaji wa awamu ya kimiminika, pH, mikusanyiko ya ioni, muundo wa gesi na CO₂ iliyoyeyushwa zilifuatiliwa pamoja.
• Uvukaji wa ioni ulihesabiwa kama mchango wa kiasi wa chaji.
• Hasara za kielektrokemia zilitenganishwa kuwa pH, ukinzani wa awamu ya kimiminika na hasara ambazo hazijatatuliwa.
• Uchambuzi wa jumuiya wa 16S rRNA ulikamilishwa kwa qPCR tendaji ya mcrA/hdrA.
• Mabadiliko ya jumuiya ya vijidudu yalitathminiwa kwa PERMANOVA, wingi tofauti uliodhibitiwa kwa FDR na korelesheni za Spearman.
• Hifadhi ya Zenodo imetolewa kwa data ghafi.

Vikwazo vya utafiti

• Mfumo ni wa kiwango cha maabara; si kituo cha BEM cha viwandani.
• Kiwango cha CO₂ kilirekebishwa kwa mkono, si kwa udhibiti wa kitanzi kilichofungwa wa kiotomatiki.
• Mabadiliko katika muundo wa katoliti na anoliti wakati wa jaribio yalisababisha baadhi ya vigezo kubadilika kwa wakati mmoja; kila athari si jaribio la kipengele huru kabisa.
• Kufanywa upya kwa inokulesheni siku ya 38 ni kigezo cha ziada katika tafsiri ya kulinganisha Awamu 1/Awamu 2 ya vijidudu.
• Primer za 16S rRNA hazikunasa viumbe vya arkea kwa unyeti wa kutosha.
• Sampuli za vijidudu zilichukuliwa kutoka bulk katoliti, si moja kwa moja kutoka biofilm ya katodi.
• Korelesheni za Spearman si ushahidi wa usababisho.
• Kwa kuwa acetate na VFA nyingine hazikugunduliwa, kiungo cha kimetaboliki kinachopatanishwa na acetate hakijathibitishwa kwa kipimo cha moja kwa moja cha mtiririko wa dutu.
• Cl₂ haikugunduliwa kwa uchambuzi; ilijadiliwa tu kama athari ya pembeni inayowezekana.
• Istilahi η_unknown inajumuisha pamoja hasara nyingi ambazo hazijatatuliwa, kama uanzishaji, utando na usafirishaji wa molekuli.
• Uvukaji wa CO₂ kupitia utando haukutenganishwa moja kwa moja katika nyakati zote kwa salio kamili la kaboni.
• Ustahimilivu wa muda mrefu wa vifaa vya elektrodu katika misongamano ya mkondo ya juu zaidi haukuthibitishwa na utafiti huu.
• Thamani ya “best results” ya 0,96 ± 0,33 L-CH₄ L⁻¹_katodi siku⁻¹ katika Conclusion ya chanzo na thamani ya 1,1 ± 0,3 katika awamu ya mwisho ya Jedwali 3 hazijaripotiwa kwa namna ileile; Verianla haifichi tofauti hii.
• Maandishi ya LSV yanaeleza mabadiliko ya 25 → 70 A m⁻² kama “1,8× enhancement”; thamani ghafi zinaonyesha kuwa mkondo wa mwisho ni takribani mara 2,8 na kiasi cha ongezeko ni takribani %180.

Hitimisho linaloungwa mkono na lisiloungwa mkono na utafiti

Mafunzo yaliyotolewa na watafiti kwa upande wa upanuzi wa kiwango

Chanzo kinasisitiza mihimili mitatu mikuu ya udhibiti: muundo wa elektroliti na usimamizi wa uvukaji wa ioni, sehemu ya uendeshaji wa galvanostatic inayobainisha mtiririko wa elektroni, na upatikanaji wa CO₂ katika awamu ya kimiminika.

Imeelezwa kuwa katika mifumo mikubwa, ukinzani wa utando na awamu ya kimiminika unapaswa kupunguzwa, athari zisizohitajika za pembeni kama klorini zizuiwe, elektrodu zinazostahimili misongamano ya mkondo ya juu zaidi ziendelezwe, na usimamizi wa CO₂/elektroliti ufanywe kiotomatiki.

Mapendekezo haya ni mwelekeo wa kihandisi kwa upanuzi wa kiwango wa baadaye. Utafiti wenyewe haukuhesabu uwezo wa uzalishaji wa viwandani, gharama ya mtaji, uchambuzi wa mzunguko wa maisha au gharama ya methani ya kibiashara.

Hitimisho kuu la kisayansi la utafiti

Hitimisho kuu la utafiti huu ni kwamba utendaji wa stack ya BEM hauwezi kuelezwa kwa kuangalia potenshali ya elektrodu au jumuiya ya vijidudu pekee. Uendeshaji wa kielektrokemia, kemia ya elektroliti, usafirishaji wa ioni katika utando, uhamishaji wa molekuli wa CO₂ na shughuli ya vijidudu vinaunganishwa.

Ingawa upitishaji wa juu ulitoa faida ya umeme mwanzoni, uvukaji wa ioni wa muda mrefu ulisababisha mkusanyiko wa chumvi katika katoliti na kukandamiza shughuli ya metanojeni. Kubadilisha sehemu ya katoliti kwa Elektroliti-B yenye maudhui ya ioni ya chini kulipunguza shinikizo hili na kuongeza tena uzalishaji wa CH₄.

Wakati huo huo, kupunguzwa kwa udhibiti kwa CO₂ iliyoyeyushwa kulipunguza kiasi cha CO₂ isiyobadilishwa katika gesi ya kutoka na kuongeza usafi wa CH₄. Matokeo yanaonyesha kwamba katika upanuzi wa kiwango wa BEM, mkabala wa “mkondo zaidi” au “CO₂ zaidi” pekee hautoshi; mtiririko wa elektroni, ioni na kaboni unahitaji kulinganishwa kwa pamoja.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Kichwa asili: Role of electrolytes composition, ionic crossover and CO2 availability in bioelectrochemical methanation

Waandishi: Maria Vega-Paredes; Simone Colantoni; Amanda Gómez-Rodríguez; Marina Martín-Sandoval; Pablo Sánchez-Cueto; Radu Ghemis; Sebastià Puig; Daniele Molognoni; Eduard Borràs.

Mwandishi wa mawasiliano: Daniele Molognoni.

Mchango sawa: Chanzo hakijataja tamko la uandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa.

Taasisi 1: Leitat, Circular Economy and Decarbonization Department, C/ de la Innovació 2, Terrassa, Barcelona 08225, Spain.

Taasisi 2: LEQUiA, Institute of the Environment, University of Girona, Facultat de Ciències, 69, Girona 17071, Spain.

Taasisi 3: Pla Serra Húnter, Generalitat de Catalunya, Via Laietana 2, Barcelona 08003, Spain.

Jarida: Journal of CO2 Utilization.

Mchapishaji: Elsevier Ltd.

Rekodi ya bibliografia: Journal of CO2 Utilization, Volume 108 (2026), Article 103460.

DOI: 10.1016/j.jcou.2026.103460

Kiungo rasmi: https://doi.org/10.1016/j.jcou.2026.103460

Ratiba ya uchapishaji: Received: 4 Februari 2026; revised: 4 Mei 2026; accepted: 13 Mei 2026; available online: 22 Mei 2026.

Aina ya chanzo: Utafiti asili wa majaribio uliopitiwa na wenzao; utafiti wa stack ya BEM yenye seli tatu katika kiwango cha maabara.

Leseni: Creative Commons Attribution 4.0 International — CC BY 4.0.

Hali ya preprint: Hati iliyochunguzwa ni makala ya jarida iliyochapishwa. Chanzo hakijataja kitambulisho tofauti cha preprint.

Muda wa jaribio: Siku 83.

Idadi ya seli: Seli tatu za BEM zenye vyumba viwili.

Msongamano wa mkondo: Siku 14 za kwanza 6 A m⁻², kisha 12 A m⁻²; urekebishaji ulifanywa kwa eneo bapa la katodi la 100 cm².

Joto la uendeshaji: Katoliti 35 °C.

Utando: Utando wa ubadilishanaji wa kationi wa CMHPP RALEX, 100 cm².

Anodi: Wavu wa titani uliopakwa mixed-metal-oxide yenye msingi wa IrO₂; 9 cm²; upakaji wa 12 g m⁻².

Katodi: Takribani 10 g ya pamba ya chuma cha pua INOX 434.

Elektrodu rejea: Ag/AgCl, 3 M KCl, +208 mV vs SHE.

Mzunguko wa katoliti/anoliti: 200 mL dk⁻¹.

Ulishaji wa gesi: %99,995 CO₂; 20 mL dk⁻¹; udhibiti wa mkono wa vipindi kulingana na sensa ya CO₂ iliyoyeyushwa.

Uainishaji wa kielektrokemia: LSV; 1 mV s⁻¹; −0,50 hadi −1,20 V vs Ag/AgCl.

Uchambuzi wa ioni: Anioni kwa ICS-3000 ion chromatography; Na⁺, K⁺, Ca²⁺ na Mg²⁺ kwa Agilent 8900 ICP-QQQ ICP-MS.

Uchambuzi wa gesi: Sensa za BlueSens BCP na Agilent 490 Micro GC Natural Gas Analyzer.

Mikrobiolojia: Full-length 16S rRNA Oxford Nanopore MinION + qPCR ya mcrA/hdrA; uchambuzi wa data kwa R Studio, phyloseq na microeco.

Takwimu: PERMANOVA ilitumika kwa jumuiya ya vijidudu, marekebisho ya FDR katika wingi tofauti na uchambuzi wa korelesheni ya Spearman. Majedwali makuu ya utendaji yametolewa kama wastani ± mkengeuko wa kawaida.

Ufadhili: Mradi wa NET-Fuels chini ya Horizon Europe Research and Innovation Program ya Umoja wa Ulaya, Grant No. 101083780. Sebastià Puig ni Serra Hunter Fellow (UdG-AG-575) na ameripoti msaada wa ICREA Academia Award. LEQUIA inatambuliwa na Catalan Government chini ya Ref. 2021 SGR01352.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kuwa hakuna uhusiano wa kibiashara au kifedha unaoweza kuathiri utafiti.

Tamko la matumizi ya akili bandia: Waandishi wameeleza kwamba wakati wa kuandaa utafiti walitumia COPILOT ili kuboresha usomaji wa maandishi; baadaye walikagua na kuhariri maudhui na kukubali uwajibikaji kamili kwa maudhui yaliyochapishwa.

Upatikanaji wa data: Seti ya data ya utafiti imechapishwa katika Zenodo kwa DOI 10.5281/zenodo.16994844. Nyenzo ya ziada inapatikana mtandaoni chini ya rekodi ya DOI ya makala.

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.

Dokezo la usafi wa CH₄ ndani ya chanzo: Katika sampuli mahususi za micro-GC katika Kielelezo 3, uwiano wa CH₄ ulizidi %96 katika siku 72 na 82, ilhali Jedwali 3 linatoa wastani wa CH₄ wa awamu ya mwisho kuwa %87,6 ± 2,6. Hivi ni viwango tofauti vya sampuli/muhtasari.

Dokezo la kasi ya uzalishaji ndani ya chanzo: Jedwali 3 linatoa 1,1 ± 0,3 L-CH₄ L⁻¹_katodi siku⁻¹ kwa awamu ya mwisho, ilhali Conclusion hutumia thamani ya 0,96 ± 0,33 L-CH₄ L⁻¹_katodi siku⁻¹ katika usemi “best results” chini ya hali ya CO₂ ya chini. Chanzo hakielezi wazi tofauti ya namna ya kuhesabu namba hizi mbili.

Dokezo la usemi wa LSV: Chanzo kinaeleza mabadiliko ya 25 → 70 A m⁻² kama “1.8x enhancement”. Uwiano wa thamani ghafi ni 2,8; kiasi cha ongezeko ni takribani %180. Kwa hiyo, Verianla huweka maandishi ya chanzo na uhusiano wa kihesabu zikiwa zinaonekana tofauti.

Kikomo cha Cl₂: Cl₂ haikugunduliwa kwa uchambuzi; ilijadiliwa tu kama athari ya pembeni inayowezekana kutokana na hali za kielektrokemia na uchunguzi wa kimaelezo wa harufu.

Kikomo cha mikrobiolojia: Sampuli za 16S rRNA zilichukuliwa kutoka bulk katoliti na hazikuonyesha arkea za metanojeni kutokana na upendeleo wa primer. Uchambuzi wa moja kwa moja wa anga wa jumuiya ya biofilm ya elektrodu haukufanywa.

Kikomo cha upanuzi wa kiwango: Utafiti ni stack ya maabara yenye seli tatu. Kiwango cha viwanda, udhibiti wa CO₂ wa kiotomatiki, uwezekano wa kiuchumi au uimara wa muda mrefu wa kibiashara havikujaribiwa moja kwa moja.