CN108337894B - 碳固定系统和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了使用细菌固定碳的系统和方法。在一个实施方案中，系统包括其中包含溶液的反应器室。该溶液可以包括氢气(H2)，二氧化碳(CO2)，生物可利用的氮和化能自养性细菌。该系统还可以包括一对将溶液中所含的水分解以形成氢气的电极。另外，可以操作该系统，使得溶液中生物可利用的氮的浓度低于阈值氮浓度，以使化能自养性细菌产生产物。

Description

碳固定系统和方法
政府许可权利
本发明是在政府支持下完成的，所述政府支持基于由海军研究多学科大学研究计划署(THE OFFICE OF NAVAL RESEARCH MULTIDISCIPLINARY UNIVERSITY RESEARCHINITIATIVE)授予的资助号N00014-11-1-0725和由空军科学研究办公室(THE AIR FORCEOFFICE OF SCIENTIFIC RESEARCH)授予的基金FA9550-09-1-0689。政府对本发明享有一定的权利。
领域
公开的实施方案涉及碳固定系统和方法。
背景
阳光及其可再生对应物是丰富的能源，其可用于进一步可持续生产材料。例如，光合生物利用太阳辐射从水和CO2合成能量丰富的有机分子。然而，自然系统中存在限制光合作用的整体效率的许多能量转换瓶颈。具体而言，大多数植物转化效率不超过1％，生物反应器中生长的微藻转化效率不超过3％。然而，植物4％的转化效率和气泡生物反应器(bubble bioreactor)中存在的微藻的5％-7％的转化效率可以在快速(短期)生长期中实现，但不能在更长时间段中实现。此外，虽然人造光合太阳能至燃料循环有可能具有较高的固有效率，但它们通常终止于氢生产，而不包括通过碳固定来完成循环以生成具有较高能量密度的材料的过程。
概要
在一个实施方案中，一种方法包括：将含有化能自养性细菌的溶液中的水分解以在溶液中形成氢气(H2)和氧气(O2)；在溶液中提供二氧化碳(CO2)；并将溶液中的生物可利用的氮限制为低于阈值以使化能自养性细菌产生产物。
在另一个实施方案中，一种系统包括其中包含溶液的反应器室。该溶液包括氢气(H2)，二氧化碳(CO2)，生物可利用的氮和化能自养性细菌。该系统还包括一对将溶液中所含的水分解以产生氢气的电极。溶液中生物可利用的氮的浓度低于阈值氮浓度以使化能自养性细菌产生产物。
在又一个实施方案中，一种方法包括：使用包含钴-磷合金的阴极和包含磷酸钴的阳极在含有化能自养性细菌的溶液中分解水以在溶液中形成氢气(H2)和氧气(O2)；在溶液中提供二氧化碳(CO2)；并将溶液中的生物可利用的氮限制为低于阈值以使化能自养性细菌产生产物。
在又一个实施方案中，系统包括其中包含溶液的反应器室。该溶液可以包括氢气(H2)，二氧化碳(CO2)，生物可利用的氮和化能自养性细菌。该系统还包括一对将溶液中所含的水分解以形成氢气的电极。该对电极包括包含钴-磷合金的阴极和包含磷酸钴的阳极。溶液中生物可利用的氮的浓度低于阈值氮浓度以使化能自养性细菌产生产物。
在又一个实施方案中，化能自养性细菌对活性氧物质具有抗性。
应该理解的是，前面的概念和下面讨论的附加概念可以以任何合适的组合进行布置，因为本公开在这方面不受限制。此外，根据结合附图考虑的各种非限制性实施例的以下详细描述，本公开的其他优点和新特征将变得显而易见。
附图说明
附图不旨在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或几乎相同的组成部分可以由相似的数字表示。为了清楚起见，并非每个组成部分都可以在每张图中标注。在附图中：
图1A是反应器的示意图；
图1B是在图1A的反应器内产生一种或多种产物的示意图；
图2是详述不同产生条件的实验结果的表；
图3是不同水分解催化剂的电流电压特性的图；
图4是碳布(carbon cloth)上的CoPi相对于涂覆在不锈钢上的CoPi和空白碳布的电流密度与电势的图；
图5是说明涂覆在碳布上的CoPi的法拉第效率(faradaic efficiency)的电流与时间的图；
图6是在不同的施加电势和系统配置下产生生物量和产物的能量效率ηelec和动力学的图，其中实心棒显示平均5-6天，虚线棒显示24小时最大值；
图7是电导率与盐度的图；
图8是较高盐度溶液中的水分解电流的图。
图9是相对于OD600的校准信号的光密度(OD)的线图，其指示生物量累积以及通过的累计施加的电荷与在1atm使用100％CO2顶部空间和2V施加电势的实验持续时间；
图10是相对于OD600的校准信号的光密度(OD)的图，其指示生物量累积以及通过的累积施加的电荷与暴露于大气和2V施加电势的实验持续时间；
图11是预测电荷与生物量累积之间的线性相关性的微生物生长模型的图；
图12是在“白天”/“晚上”循环测试下对生物量累积的实时监测的图；
图13是Co-P合金阴极和CoPi阳极的示意性反应图和扫描电子显微镜检查图像，其中在10μm的SEM图像上具有比例尺；
图14是不同HER催化剂(pH 7,10mV/sec)的电流密度对电势特性的图。
图15是展示Co-P阴极的稳定性的16天计时电流法图；
图16是与CoPi阳极结合的各种阴极的H2O2累积与时间的图，其中具有Eapp1＝2.2V；
图17是在金属浓度为0.5mM的磷酸盐(Pi)存在下且以50mV/秒循环的Co2+和Ni2+的循环伏安法(cyclic voltammetry)的图(Ni2+的曲线被放大50倍)。
图18是在不同浓度的Ni2+和Co2+存在下富养罗尔斯通氏菌(R.eutropha)的斑点测定法(spot assay)；
图19是以24小时间隔绘制的光密度，PHB浓度和通过电极的电荷相对于持续时间的图；
图20是在24小时间隔下生物量的平均ηelec，PHB，和组合生物量和化学配制剂的总体ηelec的图。
图21是以24小时间隔绘制的光密度，C3醇浓度和通过电极的电荷相对于持续时间的图；
图22是以24小时间隔绘制的生物量，C3醇的平均ηelec和组合生物量和化学配制剂的总体ηelec的图。
图23是以24小时间隔绘制的光密度，C4+C5醇浓度和通过电极的电荷相对于持续时间的图；
图24是以24小时间隔绘制的生物量，C4+C5醇的平均ηelec以及组合生物量和化学配制剂的总体ηelec的图；
图25是富养罗尔斯通氏菌对不同浓度的异丙醇的耐受性的斑点测定法；和
图26是说明富养罗尔斯通氏菌细菌的H16和ROS抗性BC4菌株之间的活性氧物质(ROS)耐受性的斑点测定法。
详细说明
发明人已经认识到可能需要操作生物反应器以用于产生材料和/或能量储存目的，并且所述产生材料和/或能量储存具有比过去已经实现的更高的效率。此外，发明人已经认识到，在一些情况下，可能需要以比在典型反应器中实现的更高的转化效率来持续产生期望的产物。鉴于以上所述，发明人已认识到与包含H2氧化自养微生物的反应器以及在反应器中的溶液内分解水以在反应器本身内生成氢或还原等价物的电极相关的益处，所述氢或被还原的等价物被微生物用于进行碳固定以产生期望的产物。
在一个实施方案中，系统包括包含溶液的反应器室。该溶液可包括氢气(H2)，二氧化碳(CO2)，生物可利用的氮，和细菌。诸如氢气(H2)，二氧化碳(CO2)，氮气(N2)和氧气(O2)中的一种或多种的气体也可位于反应器室的顶部空间内，尽管其中反应器不包括顶部空间、例如流过反应器(flow through reactor)的实施方案也是被考虑的。该系统还可以包括浸入溶液中的一对电极。电极被配置为向溶液施加电压电势并使电流通过溶液以分解溶液内包含的水，以在溶液中形成至少氢气(H2)和氧气(O2)。然后这些气体可溶解在溶液中。在使用期间，溶液中生物可利用的氮的浓度可以保持低于导致细菌产生期望产物的阈值氮浓度。该产物可以通过从细菌中排出和/或存储在细菌内，因为本公开不对此进行限制。
溶解在溶液内、和/或溶液上方的顶部空间中的上述气体的浓度可以以任何方式控制，所述方式包括鼓泡气体通过溶液，如上所述在溶液内产生溶解的气体(例如电解/水分解)，周期性地更新位于溶液上方顶部空间内的气体组合物，或者任何其他适当的控制溶液内溶解气体浓度的方法。另外，控制浓度的各种方法可以以恒定操作参数的稳态模式操作，和/或可以监测一种或多种溶解气体的浓度以使反馈过程能够主动地改变浓度，生成速率或其他合适的参数以将溶解气体的浓度改变至本文所述的期望范围内。可以以任何适当的方式监测气体浓度，所述方式包括pH监测，溶解氧计量器，气相色谱法或任何其他适当的方法。
如上所述，在一个实施方案中，位于反应器的顶部空间中的一定体积的气体的组合物可以包括二氧化碳，氧气，氢气和氮气中的一种或多种。二氧化碳的浓度可以在10体积百分比(vol％)和100vol％之间。但是，二氧化碳也可以大于等于0.04vol％和/或任何其他适当的浓度。例如，二氧化碳可以介于或等于0.04vol％至100vol％。氧的浓度可以是在1vol％与99vol％之间和/或任何其他适当的浓度。氢的浓度可以大于或等于0.05vol％至99％。氮的浓度可以在0vol％和99vol％之间。
还要指出的是，在一个实施方案中，反应器室内的溶液可以包括水以及溶解在水中的二氧化碳，氧气和氢气中的一种或多种。溶液中二氧化碳的浓度可以是0.04vol％至在溶液内饱和之间。溶液中的氧浓度可以是1vol％至在溶液内饱和之间。溶液中氢的浓度可以是0.05vol％至在溶液中饱和之间，条件是也存在合适浓度的二氧化碳和/或氧。
如前所述，并且如下文进一步描述的，通过位于溶液内的细菌产生期望的最终产物可以通过以下来控制：限制溶液中生物可利用的氮的浓度(例如以氨，氨基酸或任何其他细菌可用的合适的氮源形式)低于阈值氮浓度。然而，不希望受理论束缚，对于不同的细菌和/或不同浓度的细菌，浓度阈值可能不同。例如，含有足够的氨以支持高达光密度(OD)为2.3的富养罗尔斯通氏菌(Ralstonia eutropha)群体的溶液在小于或等于0.03M的摩尔浓度产生产物，而OD为0.7的群体在小于或等于0.9mM摩尔浓度产生产物。因此，较高的光密度可能与在较高氮浓度下产生产物相关，而较低光密度可能与在较低氮浓度下产生产物相关。此外，通过简单地将细菌放置在不含氮的溶液中，细菌可用于产生产物。鉴于以上所述，溶液中细菌的光密度可以在以下之间或等于以下：0.1至12，0.7至12，或者包括浓度都大于和小于上述浓度的任何其他适当浓度。另外，溶液中的氮浓度可以在以下之间或等于以下：0至0.2摩尔，0.0001至0.1摩尔，0.0001至0.05摩尔，0.0001至0.03摩尔，或者包括大于和小于上述范围的组成的任何其他合适的组合物。
尽管以上详细描述了特定的气体和组成，但应该理解的是，位于反应器顶部空间的气体以及反应器内的溶液可以包括不限于此方式公开的组成和/或浓度。
可以选择在本文公开的系统和方法中使用的细菌，使得细菌既氧化氢又消耗二氧化碳。因此，在一些实施方案中，细菌可以包括能够将氢代谢为能量来源的酶，例如用氢化酶。另外，细菌可以包括一种或多种能够进行碳固定的酶，如核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO)。可用于本文所述的系统和方法以产生产物的一类可能的细菌包括但不限于化能自养性细菌(chemolithoautotrophs)。此外，合适的化能自养性细菌可包括下列任一种或多种富养罗尔斯通氏菌(R.eutropha)以及Alcaligenes paradoxs I360细菌，Alcaligenes paradoxs 12/X细菌，灰暗诺卡菌(Nocardia opaca bacteria)细菌，自养诺卡菌(Nocardia autotrophica)细菌，脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)细菌，敏捷假单胞菌(Pseudomonas facilis)细菌，节杆菌属(Arthrobacter species)11X细菌，自养的茁平胞菌(Xanthobacter autotrophicus)细菌，生脂固氮螺菌(Azospirillumlipferum)细菌，胶德克斯氏菌(Derxia Gummosa)细菌，日本根瘤菌(Rhizobiumjaponicum)细菌，水生微环藻(Microcyclus aquaticus)细菌，Microcyclus ebruneus细菌，空泡肾形杆菌(Renobacter vacuolatum)细菌和任何其他合适的细菌。
取决于期望制造的特定产物，细菌可以天然地包括产生途径，或者可以被适当地工程化，以包括产生途径以在放置在适当的生长条件下时产生任何数量的不同产物。合适的产物包括但不限于：短链，中链和长链醇，包括例如异丙醇(C3醇)，异丁醇(C4醇)，3-甲基-1-丁醇(C5醇)中的一种或多种或任何其他适当的醇；短链，中链和长链脂肪酸；短链，中链和长链烷烃；聚合物如聚羟基链烷酸酯，包括聚(3-羟基丁酸酯)(PHB)；氨基酸和/或任何其它合适的产物，因为本公开并非如此受限。
图1A示出了包括一个或多个反应器室(reactor chamber)的系统的一个实施例的示意图。在所示实施方案中，单室反应器2容纳一对或多对电极，其包括浸入水基溶液6中的阳极4a和阴极4b。细菌8也包括在溶液中。对应于与外部环境隔离的一定体积的气体的顶部空间10位于反应器室内的溶液上方。气体体积可以对应于任何适当的组成，包括但不限于二氧化碳，氮气，氢气，氧气和任何其他适当的气体，因为本公开并非如此受限。另外，如下详述，各种气体可以如前所述以任何适当的浓度存在。然而，应该理解，其中反应器室暴露于可以是受控组成和/或正常大气的外部大气的实施方案也被考虑。该系统还可以包括一个或多个温度调节装置，例如水浴，温控炉，或其他适当的配置和/或装置，以将反应器室维持在用于细菌生长的任何期望的温度范围。
在反应器室内部与外部环境隔离的实施方案中，该系统可以包括一个或多个密封件12。在所描绘的实施方案中，密封件对应于软木塞(cork)，塞子，螺纹盖，闭锁盖(latchedlid)，或者密封反应器室内部之出口的任何其他合适的结构。在该特定实施方案中，动力源14经由两个或更多个电引线16电连接到阳极和阴极，所述两个或更多个电引线16穿过密封件中的一个或多个通路，以施加电势和使电流IDC通过，以在溶液中通过阳极处的析氧反应(oxygen evolution reaction)(OER)和阴极处的析氢反应(hydrogen evolutionreaction)(HER)将水分解为氢气和氧气。尽管引线被描绘为穿过密封件，但应该理解的是，其中引线穿过系统的不同部分(诸如反应器室的壁)的实施方案也被考虑，因为由于本公开如此限制。
取决于特定实施方案，上述动力源可对应于施加到电极的任何适当的电流源。然而，在至少一个实施方案中，动力源可以对应于诸如太阳能电池、风力涡轮机或任何其它合适电流源的可再生能源，尽管其中不可再生能源例如发电机、电池、电网动力(grid power)或其他动力源被使用的实施方案也被考虑。无论哪种情况，来自动力源的电流都会通过电极和溶液以放出氢气和氧气。如上所述，可以控制电流、以期望的产生率产生氢气和/或氧气。
在一些实施方案中，电极可以涂有水分解催化剂或由水分解催化剂形成，以进一步促进水分解和/或降低施加至溶液的电压。在一些实施方案中，可以将催化剂涂覆到电极基底(electrode substrate)上，所述电极基底包括例如碳织物，多孔碳泡沫，多孔金属泡沫，金属织物，固体电极和/或任何其他适当的几何形状或材料，因为本公开并非如此受限。在另一个实施方案中，电极可以简单地由期望的催化剂材料制成。用作催化剂的几种合适的材料包括但不限于以下中的一种或多种：钴-磷(Co-P)合金，磷酸钴(CoPi)，氧化钴，氢氧化钴，氧化氢氧化钴(cobalt oxyhydroxide)，NiMoZn合金，或任何其他适当的材料。如下面进一步指出的，某些催化剂还提供了额外的益处。例如，在一个具体实施方案中，电极可对应于包含钴-磷合金的阴极和包含磷酸钴的阳极，其可有助于减少溶液内活性氧物质和/或金属离子的存在。CoPi涂层和/或电极的组成可以包括等于或在0重量％(wt％)至50wt％之间的磷组合物。此外，Co-P合金可包含80wt％至99wt％的Co以及1wt％至20wt％的P。然而，其中不同元素浓度被使用和/或其他类型的催化剂和/或电极被使用的实施方案也被考虑，因为本公开并非如此受限。例如，可以使用不锈钢，铂和/或其他类型的电极。
同样如图1所示，在一些实施方案中，可能希望连续或周期性地使一种或多种气体鼓泡(即喷射或冲洗)通过溶液6和/或更新位于溶液表面上方的反应器室2的顶部空间10内的气体组合物。在这样的实施方案中，气体源18可以与穿过密封件12和/或反应器室2的另一部分(例如侧壁)的一个或多个气体入口20流体连通，以放置气体源、使得所述气体源与反应器室内部流体连通。另外，在一些实施方案中，一个或多个入口将气流排放到溶液中，使得气体鼓泡通过溶液。然而，其中一个或多个气体入口将气流排放到反应器室的顶部空间中的实施方案也被考虑，因为本公开并非如此受限。另外，一个或多个相应的气体出口22可形成在密封件和/或反应器室的另一部分中，以允许气体流从反应器室的内部流到外部。应该注意的是，气体入口和出口可对应于任何适当的结构，包括但不限于管，管道，流动通道，与反应器室内部直接流体连通的端口，或任何其他适当的结构。
气体源可对应于能够通过入口向室提供加压气流的任何适当气体源，包括例如一个或多个加压气瓶(gas cylinder)。虽然气体源可以包括一种或多种气体的任何适当组合物，但在一个实施方案中，气体源可以提供氢气、氮气、二氧化碳和氧气中的一种或多种。由气体源提供的气体流可以具有与上面针对具有反应器室的顶部空间的气体组合物所述的气体组成的范围相等同的组成。此外，在一些实施方案中，气体源可以简单地是二氧化碳的来源。当然，其中包括与上述那些不同的气体和/或不同浓度的不同气体混合物被鼓泡通过溶液或以其他方式输入到反应器室的实施方案也被考虑，因为本公开并非如此受限。此外，气体源可用于帮助维持反应器在大气压力，低于大气压力和/或高于大气压力的操作，因为本公开不限于任何特定的压力范围。
上述一个或多个气体入口和出口还可以包括沿气体源与一个或多个出口的外端之间的流动路径定位的一个或多个阀。这些阀可以包括例如手动操作阀，气动或液压驱动阀(pneumatically or hydraulically actuated valves)，单向阀(即止回阀)也可以包含在一个或多个入口和/或出口中，以选择性地防止气体全部流入或流出反应器或选择性地防止气体在上游方向流入室和/或流向气体源。
尽管上面已经描述了使用入口和/或出口气体通道，但是其中不存在用于气体的入口和/或出口的实施方案也被考虑。例如，在一个实施方案中，包括可密封反应器的系统可以在密封之前简单地用合适的气体冲洗。然后系统可以以气体的适当组合物以定期间隔冲洗，以在重新密封反应器室之前更新溶液和/或顶部空间中所需的气体组合物。或者，顶部空间的尺寸可以设定为包含足以在整个产生运行期间使用的气体体积。
在电极以足够高的速率和/或足够的持续时间运行的情况下，可以在反应器室中的溶液内形成浓缩。因此，可能需要防止和/或减轻溶液中浓缩梯度的存在。因此，在一些实施方案中，系统可以包括诸如图1A中所示的搅拌棒24的混合器。或者，也可以使用振动台和/或在溶液中引起运动以减少浓缩梯度的存在的任何其他方式，因为本公开并非如此受限。
尽管上述实施方案已经涉及隔离的反应器室，但是其中流通式反应器室(flow-through reaction chamber)具有浸没在流动穿过反应器室并经过电极的溶液中的两个或更多个相应电极的实施方案也被考虑。例如，一个可能的实施方案，一个或多个相应的电极可以悬浮在流动穿过室、管、通道或其他结构的溶液内。类似于上述实施方案，电极与相应的动力源电耦合以在溶液流过电极时执行水分解。这样的系统可以是单程流通系统和/或溶液可以以连续循环的方式连续流过电极，尽管也可以考虑其他配置。
不希望受理论束缚，图1B示出了系统产生一种或多种所需产物的一种可能路径。在所描绘的实施方案中，析氢反应发生在阴极4b处。在阴极反应期间，两个氢离子(H+)与两个电子组合形成氢气H2，其与溶解在溶液中的二氧化碳(CO2)一起溶解在溶液6内。同时，在阴极处可产生各种有害物质，例如活性氧物质(ROS)，包括例如过氧化氢(H2O2)，超氧化物
Figure BDA0001658930180000111
和/或羟基自由基
Figure BDA0001658930180000112
以及金属离子。例如，当使用钴基阴极时，Co2+离子可以溶解到溶液中。如下面进一步描述的，在一些实施方案中，使用某些催化剂可以帮助减少ROS的产生，并且可以使用位于溶液内的一种或多种元素将浸出到溶液中的金属离子沉积到阳极上以形成化合物，例如磷酸钴。
同样如图1B所示，一旦氢气和二氧化碳在溶液内提供，存在于溶液内的细菌8可用于将这些化合物转化为有用的产物。例如，在一个实施方案中，细菌使用氢化酶代谢溶解的氢气和一种或多种合适的酶，例如RuBisCO或其他合适的酶，以提供碳固定途径。这可能包括吸收二氧化碳并通过卡尔文循环(Calvin cycle)形成乙酰辅酶A，如图所示。此外，根据溶液内氮的浓度，细菌可以形成生物量或一种或多种所需产物。例如，如果溶液内的氮浓度低于预定的氮浓度阈值，则细菌可以形成一种或多种产物，例如C3，C4和/或C5醇，PHB，和/或上述在图中的组合。
取决于实施方案，置于反应器的室中的溶液可以包括水以及一种或多种另外的溶剂，化合物和/或添加剂。例如，该溶液可以包括：无机盐如磷酸盐，包括磷酸钠和磷酸钾；痕量金属补充剂如铁，镍，锰，锌，铜和钼；或除了上述溶解的气体之外的任何其他适当组分。在一个这样的实施方案中，磷酸盐可以具有9和90mM之间，9和72mM，9和50mM之间的浓度或任何其他适当的浓度。在一个具体的实施方案中，水基溶液可以包括列出浓度中的一种或多种以下物质：12mM至123mM的Na2HPO4，11mM至33mM的KH2PO4，1.25mM至15mM的(NH4)2SO4，0.16mM至0.64mM的MgSO4，2.4μM至5.8μM的CaSO4，1μM至4μM的NiSO4，0.81μM至3.25μM摩尔浓度的柠檬酸铁，60mM至240mM摩尔浓度的NaHCO3。
如上文关于图1B的讨论所指出的，在阴极处的析氢反应期间，活性氧物质(ROS)以及金属离子可以形成和/或溶解到溶液中。然而，溶液中的ROS和较高浓度的金属离子可能对高于某些浓度的细胞生长有害。值得注意的是，为了形成氢气以转化为一种或多种所需产物而在反应器内的连续氢气产生的使用已经被这些ROS的产生和金属离子浓度阻碍，因为用于形成所需产物的细菌往往是对于这些化合物和离子敏感的，所述化合物和离子限制了细菌的生长，并在高于某些浓度时杀死细菌。因此，在一些实施方案中，可能需要施加电压，使用产生较少ROS的电极，去除和/或防止金属离子从电极溶解，和/或使用对这些有毒物质的存在具有抗性的细菌，如下面进一步详述的。
如上所述，可能需要选择一种或多种催化剂用作在使用期间产生较少活性氧物质(ROS)的电极。具体而言，在一些实施方案中可以使用对细菌无毒并降低水分解超电势的生物相容性催化剂系统。催化剂的一个这样的例子包括耐ROS的钴-磷(Co-P)合金阴极。该阴极可以与磷酸钴(CoPi)阳极组合。该催化剂对具有阳极自愈的附加益处。换言之，催化剂配对有助于去除反应器中溶液中存在的金属Co2+离子。不希望受理论束缚，电极配对协同工作以通过将阴极上的提取的金属离子沉积到阳极上来去除提取的金属离子，这可以帮助在溶液内保持相对低浓度的外来钴离子并且递送低施加电势以分解水从而产生H2。不希望受理论束缚，据信在电解水期间，从电极提取磷和/或钴。浸出钴的还原电势使得使用溶液中可得到的磷酸根形成磷酸钴在能量上是有利的。溶液中形成的磷酸钴随后以与游离Co2+成线性比例的速率沉积在阳极上，为电极提供自愈过程。鉴于以上所述，钴-磷(Co-P)合金和磷酸钴(CoPi)催化剂可用于帮助缓解溶液内ROS和金属离子的存在以帮助促进反应器室内的细菌生长。
应该理解，可以将任何适当的电压施加到浸入溶液中的一对电极以将水分解成氢气和氧气。然而，在一些实施方案中，所施加的电压可以被限制为落在高电压阈值和低电压阈值之间。例如，磷酸钴和钴磷基合金电极配对的自愈性能可以在大于约1.42V的电压电势下起作用。此外，分解水的热力学最小电势约为1.23V。因此，取决于特定实施方案中，施加到电极的电压可以大于或等于大约1.23V，1.42V，1.5V，2V，2.2V，2.4V或任何其他适当的电压。另外，所施加的电压可以小于或等于约10V，5V，4V，3V，2.9V，2.8V，2.7V，2.6V，2.5V或任何其他适当的电压。考虑了上述电压范围的组合，包括例如施加到一对电极的电压也可以是1.23V至10V，1.42V至5V，2V至3V，2.3V至2.7V以及其他适当的范围。另外，应该理解的是，大于和小于上述电压的电压以及上述范围的不同组合也被考虑，因为本公开并非如此受限。除了所施加的电压之外，任何合适的电流可以通过电极以进行水分解，这将取决于所使用的给定体积的反应器的期望的氢生成速率。例如，在一些实施方案中，可以控制用于分解水的电流以基本上等于溶液中细菌的氢消耗速率的速率产生氢。然而，以大于或小于细菌消耗的速率产生氢的实施方案也被考虑。
除了使用催化剂，控制溶液pH和施加适当的驱动电势，和/或控制任何其它适当的参数以减少反应器室中溶液内活性氧物质(ROS)的存在之外，还可以希望使用如前所述的对存在于溶液内的ROS和/或金属离子的存在具有抗性的细菌。具体而言，可以使用对活性氧物质具有抗性的化能自养性细菌。此外，在一些实施方案中，可以使用与野生型H16富养罗尔斯通氏菌相比对ROS具有抗性的富养罗尔斯通氏菌细菌。下面的表I详述了在下面详述的实验过程中有目的地发现的野生型H16富养罗尔斯通氏菌和耐受ROS的BC4菌株之间发现的几种遗传多态性。下文进一步详述了BC4菌株相对于野生型细菌的突变。
观察到两个单核苷酸多态性和两个缺失事件。不希望受理论束缚，来自acrC1的大量缺失可能表明总膜通透性降低，可能影响超氧化物进入细胞，导致观察到的ROS抗性。可以在NCBI SRA数据库中以登录号SRP073266获得基因组序列，并且BC4菌株的特定突变列于下表1中。野生型H16富养罗尔斯通氏菌的标准基因组序列也可以在RCSB蛋白数据库以保藏号AM260479获得，也可参考以下突变。
表I
Figure BDA0001658930180000141
参考上表，富养罗尔斯通氏菌细菌可以包括选自上文表1中指出的突变的至少一至四个突变，并且可以以任何组合进行选择。这些特定的突变在下文中更详细地列出，其中序列中相对于野生型富养罗尔斯通氏菌的突变被加了粗体和加下划线，在以下给出。
第一个指出的突变可以对应于下面列出的针对富养罗尔斯通氏菌H16染色体1的范围是位置611790-611998的序列。
Figure BDA0001658930180000142
第二个指出的突变可以对应于下面列出的针对富养罗尔斯通氏菌H16染色体1的范围是位置611905-613399的序列。
Figure BDA0001658930180000151
Figure BDA0001658930180000161
第三个指出的突变可以对应于下面列出的富养罗尔斯通氏菌H16染色体1的范围是位置2563181-2563281的序列。
Figure BDA0001658930180000162
第四个指出的突变可以对应于下面列出的针对富养罗尔斯通氏菌H16染色体1的范围是位置241880-242243的序列。
Figure BDA0001658930180000163
在上述序列中，应该理解的是细菌可以包括相对于上述的突变序列的一个或多个碱基对的变化，其仍然在细菌内产生相同功能和/或氨基酸。例如，细菌可以包括95％，96％，97％，98％，99％或任何其他适当百分比的上述相同突变序列，同时仍然提供提示的增强的ROS抗性。
如在实施例中详细阐述的，本文描述的系统能够进行间歇式产生。例如，当将驱动电势施加到电极以产生氢时，细菌产生期望的产物。相应地，当电势被去除并且不再产生氢时，则停止产物的产生，一旦可用的氢被消耗并且观察到总体生物量的减少，直到再次将电势施加到电极以产生氢为止。然后该系统将恢复生物量和/或产物形成。因此，尽管系统可以连续运行以产生期望的产物，但是在一些操作模式中，驱动电势可以间歇地施加到电极以间歇地分解水以形成氢并且相应地间歇地产生期望的产物。间歇施加的电势的频率可以是任何频率，并且可以是均匀的或不均匀的，因为本公开并非如此受限。这种间歇性地产生产物的能力在诸如间歇性可再生能源被用于提供施加到电极的动力的应用中可能是期望的，所述动力包括但不限于诸如太阳能和风能的间歇性动力源。
实施例：实验系统
根据以下程序制备本文所述实验期间使用的溶液。使用940mL去离子H2O，6.74gNa2HPO4·7H2O，1.5g KH2PO4和1.0g(NH4)2SO4制备第一溶液。用400mL去离子H2O，4.0gMgSO4-7H2O，50mg CaSO4·2H2O(充分搅拌溶解)和28mg NiSO4-7H2O制备第二溶液。用400mL去离子H2O和20mg柠檬酸铁制备第三溶液。使用400mL去离子H2O和10.0g NaHCO3制备第四溶液。不希望受理论束缚，将第一，第二和第四溶液过滤并灭菌。第三溶液不过滤和灭菌。第二，第三和第四溶液然后与第一溶液相组合并混合以组合。
上述介质具有36mM的总磷酸盐浓度，其可以在使用期间在弱缓冲溶液开始使碳布阳极劣化之前降低至约9mM。然而，不同的阳极基底材料可以使用不同的浓度。此外，发现富养罗尔斯通氏菌能够耐受72mM磷酸盐(2x)，但在磷酸盐浓度大于或等于108mM(3x)下确实死亡。尽管如此，不同的合适的溶液浓度可以用于不同的细菌和/或当与不同的溶液组合物一起使用。在36mM磷酸盐的情况下，具有低于400ppm CO2的溶液的pH值为7。富养罗尔斯通氏菌培养基通常在pH＝6-8的范围内，但是已显示氢化酶在低至pH＝4.5的情况下运行。在1atm的100％CO2顶部空间的情况下，最终pH值为约6.2。不希望受理论束缚，碳酸氢钠有助于维持渗透压和离子强度。因此，基于pH平衡碳酸氢钠的浓度。
用于析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的钴磷合金和磷酸钴催化剂通过使用GamryInterface 1000恒电势仪(potentiostat)的电化学沉积方法来产生。经典的三电极设置用Ag/AgCl，1M KCl参比电极施加。沉积催化剂后，用足量的去离子水冲洗电极。
水分解和细菌CO2固定发生在与上面图1所示的室类似的顶部空间中填充有CO2的单个封闭室中。所报告的数据基于至少三个生物学重复(n≥3)。Gamry Reference 600恒电势仪与ECM8电化学多路复用器(electrochemical multiplexer)耦合，可与8个独立反应器进行平行实验。反应器包括一个250mL
Figure BDA0001658930180000181
GL 45玻璃瓶，其盖有
Figure BDA0001658930180000182
GL 45 3-端口(GL 14)连接系统。将玻璃瓶浸入30℃的水浴中。每个反应器上的两个GL 14螺旋盖端口用作两个水分解电极的馈通(feedthrough)，第三馈通用作由直角回转阀调节的气体入口。对于典型的实验，将100mL全无机基本培养基溶液加入到反应器中，并通过双电极系统进行水分解；电极的几何面积为4cm2。所施加的电势Eappl被定义为双电极配置中的工作电极和对电极/参比电极之间的电压差；对于每个实验，Eappl在图2所示的表中详细描述。
用富养罗尔斯通氏菌菌株(初始OD600＝0.2)接种后，用CO2吹扫反应器，然后密封。通过三角形搅拌棒以350rpm搅拌实验物质以促进反应器内的质量输送。对生物电化学反应器顶部空间使用SupelTM惰性箔气体采样袋每天进行采样。每天还对电解质进行采样以量化OD600和产物滴度。取样后，反应器顶部空间被鼓泡以重新在顶部空间中填充CO2。在CO2直接从空气中还原的情况下，反应器室不与环境隔离。气体入口端口通过0.2μm PVDF气体过滤器连接到环境大气，并且没有CO2气流被供应到反应器顶部空间。在此设置中，反应器顶部空间通过PVDF过滤器与周围环境直接交换。
当然，尽管在实验中使用了分离的批式反应器设计，但批式反应器设计可以修改为基于流动的配置，其中含微生物的介质将被迫流过发生水分解的室。如下面进一步详细描述的，在顶部空间中测量到的残余H2气体的低水平表明H2的有效吸收，并且因此在流动反应器配置下预期会有小的能量损失，使其成为可行的设计选择。
通过以20秒的时间间隔在自建设置(home built setup)上测量100mL反应器的光密度来实现生物量累积的实时监测。具体而言，650nm激光指示器(Digi-Key Electronic)被导向光电二极管通过包含细菌和水分解电极的100mL反应器。通过MATLAB中的定制脚本(customized script)进行控制，每20秒钟，在操作放大器(operational amplifier)(Digi-Key Electronic)的帮助下确定散射培养物后入射光的强度。在测量来自已知OD600值的富养罗尔斯通氏菌培养物的透射光之后，建立测量的光强与OD600之间的标准曲线。
在一些实验中，进行了10倍的放大实验。在这些实验中，类似的反应器被使用，但包括1000mL体积的反应器。除了以下所述之外，该程序与用于使用100mL反应器的实验的程序相似。Vacu-Quik罐系统(Almore International，inc.)采用以下进行改进：两个电流馈通用于水分解电极和两个PEEK管作为气体入口/出口。Neslab EX-211恒温浴在罐周围循环水以维持30℃的温度。为了优化温度均匀性，罐和水循环被嵌入绝热层中。基本培养基溶液体积为1000mL，电极大小按比例增加。在实验过程中，反应器接种富养罗尔斯通氏菌(OD600＝0.05)并在H2/CO2/空气中生长过夜。在开始还原CO2之前，记录细菌光密度的初始OD600参考信号。测量的信号通常在参考OD600信号的0.15和0.20倍之间。然后用CO2彻底吹扫反应器的顶部空间以除去自养生长中剩余的残余H2。
没有观察到通过加压促进CO2质量输送(mass transport)在当前实验中是有益的。但是，在某些情况下，例如在使用较大反应器的过程中，加压反应器的运行可能是有益的。
实施例：细菌菌株和生长方案
除非另有说明，所用基本培养基的组成为6.74g/L Na2HPO4·7H2O，1.5g/L KH2PO4，1.0g/L(NH4)2SO4，80mg/L MgSO4·7H2O，1mg/L CaSO4·2H2O，0.56mg/L NiSO4·7H2O，0.4mg/L柠檬酸铁和200mg/L NaHCO3。由于氮(N)，磷(P)和硫(S)对总干细胞重量贡献约10％(对于N)和小于5％(对于P和S)，因此对无机元素的要求不限制列出的实验条件下的CO2还原过程。“活”生物催化剂的不断更新并不涉及无机元素的消耗，因为新细菌可以重新利用从死亡微生物释放的元素。该培养基组合物具有36mM的磷酸盐缓冲液浓度。为了诱导细菌的氮限制性生长以产生异丙醇和PHB，(NH4)2SO4浓度降低至0.167g/L。对于盐度较高的实验，磷酸盐的缓冲强度增加三倍：20.22g/L Na2HPO4·7H2O，4.5g/L KH2PO4。该“高盐”培养基具有108mM的磷酸盐缓冲液浓度。除了在过滤灭菌步骤之后添加的柠檬酸铁组分之外，所有的溶液都在使用前进行过滤灭菌。
还将NaHCO3加入到初始培养基制备物中以维持离子强度和渗透压。作为与水溶液中的CO2平衡的共轭碱，碳酸氢盐可以用作CO2还原的碳源。富养罗尔斯通氏菌通过碳酸酐酶将碳酸氢盐转化为二氧化碳。在进行任何实验之前，将制备的培养基充分平衡。
富养罗尔斯通氏菌H16(野生型)，Re2133-pEG12和Re2410-pJL26菌株得自MIT的Sinskey实验室。另外，如下所述，分离出ROS抗性菌株(BC4)，其是在连续暴露于施加电极电势为2.3V的不锈钢磷酸钴水分解系统11天后进化的。在该ROS抗性菌株的发展过程中，没有观察到生长，直到第7天当在接下来的4天OD600从0.15上升到1.15时。使用breseq对分离的菌株进行测序并编译突变。
除非另有说明，否则所有微生物生长都在30℃进行。通常，从琼脂平板上挑取单个菌落并将其接种到富含培养液的培养基溶液中过夜生长。将培养物离心并重新悬浮于补充有庆大霉素(10μg/mL)的基本培养基中。将培养物置于Vacu-Quick罐中，所述Vacu-Quick罐填充有H2(8mmHg)和CO2(2mmHg)并填充有空气作为平衡。在这种条件下，富养罗尔斯通氏菌适应H2自养代谢。
实施例：有毒物质定量
在上述生物电化学反应器中使用基本培养基溶液作为具有多个电极组合的电解质进行非生物水分解。然后将50μL电解质在一系列时间点转移至96孔板(Corning)。测量前将板在黑暗中保持在冰上不超过1小时。通过使用BIO-13Synergy H1m板读取器(platereader)在555nm下监测吸光度，使用Amplex Red H2O2检测试剂盒(Sigma-Aldrich)测定H2O2浓度。H2O2的浓度通过与标准曲线进行比较来量化，所述标准曲线由从0至40μM范围的H2O2标准品产生。
还使用电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma massspectrometry)(Thermo Electron，具有碰撞室技术的X系列ICP-MS，CCT)测量来自电极的各种元素的浸出速率。在恒定Eappl下进行非生物水分解实验24小时后，取0.5mL电解质样品并将其用3.5mL 2％双蒸硝酸(Sigma-Aldrich)稀释。对于60Ni，59Co和194Pt，针对样品连同校准标准一起扫描两次，每次60秒。为了证明CoPi阳极对从阴极浸出的金属的“自愈”效应，在单隔室和双隔室电化学电池中进行实验。在单隔室设置中，HER阴极和OER阳极都浸入相同的反应器中。在双隔室设置(H池)中，细孔隙率的玻璃料分离两室，阻碍了浸出的金属离子的质量输送。
通过将在不同条件下生长的100μL培养物以1:10稀释于新鲜基本培养基中进行斑点测定法的程序，所述新鲜基本培养基被涡旋。制备3-4个系列10倍稀释液，并将2μL各稀释液点在富含培养基琼脂平板上并让其干燥。在成像之前，平板通常在30℃下生长2天。基于1/100稀释比较来估计半数最大抑制浓度(IC50)。然后将某些条件下的菌落面积与对照样品进行比较。
实施例：CO2固定
使用以上所述的生物相容性Co-P|CoPi水分解催化剂连同富养罗尔斯通氏菌一起产生能够使用通过水分解的连续H2产生来执行CO2固定的系统。对于这些实验，CoPi催化剂沉积在高表面积的碳布上作为电极载体。该配置与配有CoPi电极和铂电极对的不锈钢相比，导致相对较高的电流，图3。如图4和图5所示，电极的法拉第效率为96±4％。在使用过程中，CO2还原在批式反应器中在恒定电压下进行，类似于上面关于图1描述的。批式反应器半充满仅含无机盐(主要是磷酸盐)和痕量金属补充剂的溶液。
图2所示的表说明了来自包括不同电极，细菌菌株，施加电压，体积和溶液组成的多个实验的结果。除非在表中特别指出，否则对于不同Eappl的效率和滴度和其他实验条件为5-6天的平均值。如表和图6所示，使用CoPi|Co-P电极对与富养罗尔斯通氏菌的组合，该系统能够在低Eappl将超过其输入能量一半的能量储存起来作为CO2固定产物。项目1-3和5显示ηelec随着Eappl在100％CO2下降低而增加，直到Eappl<2.0V。低于Eappl＝2.0V(项目8)。还尝试了更高的盐浓度(108mM磷酸盐缓冲液)以促进质量输送和伴随电流(attendant current)，图7和8。然而，发现较高的盐浓度限制了富养罗尔斯通氏菌的代谢。因此，36mM磷酸盐的浓度和Eapp1＝2.0V导致这些实验的最佳ηelec，但是不同浓度伴随不同的细菌、溶液和/或系统配置也可能存在。在这些实验中对于生物量产生实现的观察到的最高ηelec在6天的持续时间内为54±4％(项目5，n＝4)。
在电流实验中观察到的所测量的CO2还原效率与H2发酵期间富养罗尔斯通氏菌所证实的最高值相当。这种生物量产量相当于以1kWh的电为成本，吸收大约4.1摩尔(180克)的二氧化碳。捕获的二氧化碳量是基于胺的碳捕获和存储所捕获的量的1/10(以1kWh为成本约为2000g)，但其加工产物不能用作燃料。如图2中的表所示，将批式反应器体积扩大10倍不会影响效率(项目4和6)，表明该系统可扩展且反应器体积不会造成直接限制。有趣的是，空气中的ηelec(400ppm CO2)为20±3％(项目7，n＝3)，但它仅比顶部空间中纯CO2的情况低2.7倍，虽然CO2的分压降低2500倍。不希望受理论束缚，这表明CO2不是限制性试剂。用于生物量转化的大约20％ηelec等同于在环境条件下以1kWh的电为成本从约85,200升空气俘获约1.5mol的CO2。
电流实验还证实，生物量累积随着在纯CO2顶部空间下通过的电荷量线性地变化(图9)以及当批式反应器暴露于周围空气中发现的CO2水平时随着通过的电荷量线性地变化(图10)。不希望受理论束缚，线性增长通过结合来自水分解的H2生成和来自碳固定的生物量累积的控制方程的模型来解释。该模型预测在细菌的低群体密度和高H2浓度的诱导期之后生物量和通过的电荷之间的线性相关性，图11，这与图9和10所示的数据一致，其中诱导期太短而无法观察到。气相色谱测量揭示，反应器顶部空间中的H2浓度对于100％CO2为0.19±0.04％(n＝3)，在空气中为0.10±0.05％(n＝3)，其相当于水中的1.5±0.3和0.8±0.4μM。这些H2浓度远低于富养罗尔斯通氏菌中膜结合型氢化酶的约6μM的米氏常数(Michaelis constant)。这可表明H2容易被富养罗尔斯通氏菌消耗。此外，纯CO2和周围CO2气氛的类似线性生长条件可表明H2氧化是生物合成的速率限制，而CO2还原不是生物合成的速率限制。另外，与先前报道的合成催化剂、单个酶和严格厌氧生物体如产乙酸菌和产甲烷菌相比，从空气中直接CO2还原突出了富养罗尔斯通氏菌在低压和高O2浓度下对CO2的相对高亲和力。
除上述之外，如图12所示，当动力未施加至电极时，富养罗尔斯通氏菌在“晚上”循环期间停止生长，这类似于当系统与太阳动力源耦合时可能发生的情况，并且当动力施加到电极时在相应一天循环期间恢复水分解反应12小时后继续CO2还原。具体而言，如图所示，在白天/晚上循环实验的“黑暗”阶段期间OD600信号降低是由于生物量损失。在自养生长过程中如果没有能量来源，细胞溶解并且OD600下降。观察到的生长，即生物量的增加，在第一个“晚上”阶段可能是由于剩余、未消耗的H2，所述剩余、未消耗的H2是在前一个“白天”阶段残留的。培养密度较高时，在第二和第三个“晚上”阶段没有过量的H2，随后OD600减少。第二阶段和第三“晚上”阶段之间的生物量损失差异可能是由于随着群体生长对H2缺乏的调节。这些观察证实了富养罗尔斯通氏菌对H2生成的内在依赖性。这些数据还显示CoPi|Co-P|富养罗尔斯通氏菌混合系统与太阳能的间歇性质或其他间歇性可再生能源是兼容的。
实施例：催化剂功能
如前所述，可以使用包括钴磷合金(Co-P)和磷酸钴(CoPi)的催化剂。如图13所示，Co-P HER和CoPi OER催化剂协同工作以形成生物相容性水分解系统，其通过路径2再利用从电极中浸出的Co2+阳离子，参见图13，同时有助于减少包括沿路径1的H2O2的各种活性氧物质的产生。
测试是采用Co-P合金阴极进行的，已知所述Co-P合金阴极在碱性溶液中促进HER，并且在中性pH在水中表现出高HER活性并具有最小的ROS产生。Co-P薄膜的X射线光电子光谱支持合金的元素性质并且能量分散X射线光谱确定了6wt％的磷组分。发现阴极在中性pH在水中表现出期望的HER活性，法拉第效率为99±2％。此外，Co-P合金的活性超过了以前研究中使用的地球富含的NiMoZn和不锈钢(SS)阴极的活性，图14。在恒定电压下，稳定的HER电流保持至少16天，参见图15。与不锈钢(SS)和铂(Pt)阴极相比，在HER期间产生可忽略的H2O2，参见图16。
图17显示了，磷酸盐缓冲液(pH＝7)中Co2+的循环伏安图，催化水分解电流的前波对应于Co2+到Co3+的氧化，其驱动催化剂的沉积。也已知CoPi催化剂表现出与Co2+浓度成线性比例的沉积速率。如前所述，CoPi合金的自愈合性质来源于OER发生时的电势与催化剂沉积时的电势之间的这种相互作用。同时，Co-P和CoPi催化剂通过自愈过程中的活性维持溶液中极低浓度的Co2+。Co-P|CoPi催化剂系统(Eappl＝2.2V)的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析确认24小时后溶液中存在亚μM水平的Co2+。该Co2+浓度(0.32±0.06μM)远低于对富养罗尔斯通氏菌有毒的Co2+浓度(半数最大抑制浓度，IC50约为25μM)，如图18所示的测试结果所示。当扩散在两个电极之间被多孔玻璃料阻碍时，Co2+浓度上升到约50μM。对于NiMoZn阴极而言，Ni2+浓度不受自愈的调节，因为NiPi不能从Pi形成，并且NiOx的沉积发生在>1.5Vvs.NHE，如图17所示。
实施例：在营养限制下的生长
富养罗尔斯通氏菌的代谢工程能够实现一系列燃料和化学产品的可再生产生。具体而言，当富养罗尔斯通氏菌遇到与碳过量相关的营养限制时，在野生型H16菌株中触发聚(3-羟基丁酸酯)(PHB)的生物合成作为内部碳储存，参见图1B。因此，消化用于PHB收集。在恒定的水分解速率下，直到氮气在2天左右变得限制时才表现出PHB合成，这由以下来表明：生物量累积的停止，参见图19，以及图20中所示的每24小时获得的ηelec。使用约700mg/L的滴度，PHB合成的6天平均值被测量为ηelec＝36±3％，参见图6，24小时最大值为ηelec＝42±2％(n＝3)，参见图20。在工程化菌株中，可以修改该PHB途径以分泌能量密度分别为24、28和31MJ/L的杂醇醇异丙醇(C3)，异丁醇(C4)和3-甲基-1-丁醇(C5)，以及其他可能的产物。分析培养物上清液以定量分泌的醇。这些液体燃料的积累遵循与针对PHB合成所观察到的相似的趋势。图21和23显示生物量产生的平稳期，而异丙醇滴度增长至约600mg/L，并且C4+C5醇滴度增长至约220mg/L。工程化的富养罗尔斯通氏菌菌株产生异丙醇，其中6天平均ηelec＝31±4％，图6，24小时最大值ηelec＝39±2％(n＝4)，图22。工程化用于产生C4+C5醇的细菌菌株平均6天ηelec＝16±2％(图6)，24小时最大值ηelec＝27±4％(n＝3)，图24。所得滴度高于先前报道的值，并且与先前报道的结果相比，ηelec已增加至少20至50倍。
图25是针对不同异丙醇浓度获取的细胞培养物的照片。如培养物所示，富养罗尔斯通氏菌显示出对异丙醇的耐受性，其允许在延长的操作下富集产物浓度并且与上述观察到的关于随异丙醇浓度增加而继续产生和细胞生长的系统行为一致。
实施例：活性氧物质(ROS)抗性
富养罗尔斯通氏菌的ROS抗性变体从包含不锈钢CoPi水分解电极对的反应器中在以2.3V的施加电压电势、以～0.6μM的H2O2产生速率/分钟连续11天的操作后被进化出。基因组测序发现上面描述的菌株(BC4)和野生型(H16)之间有几个突变，参考表I。在百草枯作为ROS诱导剂存在下，百草枯对BC4的IC50几乎比野生型的IC50高一个数量级，见图26。但是，对于使用Co-P|CoPi电极对的电流反应器系统，在ηelec中注意到了最小差异，这证实了反应器中ROS的最低浓度。当然，应该理解的是，BC4可以用于任何反应器系统，并且对于用于帮助系统实现高ηelec(其中ROS以更大浓度存在)也可以是有利的。
实施例：转换效率
如上所述，本文所述并在上述实验中说明的组合系统，催化剂和细菌有助于减轻系统水平的生物毒性，同时还提供对系统中存在的各种有毒物质的细菌抗性，从而允许水分解催化剂与工程化的生物相互作用以实现超过自然光合作用系统的高CO2还原效率。由于水分解的1.8-2.0V的低Eappl，实现高ηelec，其当与典型的太阳能至电设备(ηSCE＝η太阳×ηelec)耦合时，直接转化为高太阳能至化学品效率(ηSCE)。对于η太阳＝18％的光伏器件，Co-P|CoPi|富养罗尔斯通氏菌混合系统对于生物量可达到至少ηSCE＝9.7％，对于生物塑料至少达到7.6％，对杂醇醇至少达到7.1％。这种方法允许开发人工光合作用，其效率远远超过了自然光合作用，因此为分布式太阳能产生化学品提供了平台。
虽然已经结合各种实施方案和实施例描述了本教导，但是本教导不旨在限于这些实施方案或实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导涵盖各种替代，修改和等同物。因此，前面的描述和附图仅作为示例。

Claims (20)

1.一种固定二氧化碳的方法，包括：
使用包含钴-磷合金的阴极和包含磷酸钴的阳极在含有化能自养性细菌的溶液中分解水以在所述溶液中形成氢气(H2)和氧气(O2)；
在溶液中提供二氧化碳(CO2)；
将溶液中的生物可利用的氮限制为低于阈值氮浓度以使化能自养性细菌产生产物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述化能自养性细菌是富养罗尔斯通氏菌细菌。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述化能自养性细菌对活性氧物质具有抗性。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述产物是醇。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述产物是脂肪酸、烷烃、聚羟基链烷酸酯或盐、和氨基酸中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述溶液包含磷酸盐。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括连续鼓泡二氧化碳通过所述溶液。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括在反应器室的顶部空间内保持溶液表面上方的隔离的气体体积。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括以一个或多个时间间隔将隔离的气体体积补充至原始组合物。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述隔离的气体体积主要包含二氧化碳。
11.根据权利要求1所述的方法，其中控制所述水的分解以便以等于所述细菌的氢气消耗速率的速率产生氢气。
12.一种固定二氧化碳的系统，包括：
其中包含溶液的反应器室，其中所述溶液包含氢气(H2)、二氧化碳(CO2)、生物可利用的氮、和化能自养性细菌；
一对电极，其分解溶液中所含的水以形成氢气，其中该对电极包括包含钴-磷合金的阴极和包含磷酸钴的阳极，并且其中溶液中生物可利用的氮的浓度低于阈值氮浓度以使化能自养性细菌产生产物。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述化能自养性细菌是富养罗尔斯通氏菌细菌。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述化能自养性细菌对活性氧物质具有抗性。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述化能自养性细菌已经被工程化以产生醇。
16.根据权利要求12所述的系统，其中所述化能自养性细菌已被工程化以产生脂肪酸、烷烃、聚羟基链烷酸酯或盐、和氨基酸中的至少一种。
17.根据权利要求12所述的系统，其中所述溶液包含磷酸盐。
18.根据权利要求12所述的系统，还包括至所述反应器室的入口，其中所述入口与二氧化碳源流体连通，所述二氧化碳连续鼓泡通过所述溶液。
19.根据权利要求12所述的系统，还包括在反应器室的顶部空间内的溶液表面上方的隔离的气体体积。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述隔离的气体体积主要包含二氧化碳。
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