Promoting Butyrate and Caproate Selectivity from CO 2 in Microbial Electrosynthesis: Effect of Na + Regulation and Microbial Mechanisms

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作者
Hongxu Lu,Rui He,Jie Yang,Yujie Feng,Xiaoyu Li,Can Shi,Jiabei Liu,Nan Lin,Bruce E. Logan,Da Li
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:60 (17): 13007-13018
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c16079
摘要

Microbial electrosynthesis (MES) offers a sustainable route for converting CO2 to value-added chemicals. However, the production of carboxylates such as butyrate and caproate remains constrained by the high demand for reducing power and energy. In this study, we demonstrated that Na+ supplementation effectively redirected metabolic flux from acetate toward longer-chain carboxylates, selectively enhancing butyrate and caproate production by 3.2-fold and 3.0-fold, while having no effect on the overall production spectrum (C2–C6 carboxylates). These improvements were driven by a Na+-induced restructuring of the microbial community, evidenced by a 19.9% increase in the number of electroactive microorganisms on the cathode and a 2.8-fold enrichment of chain-elongating populations in the suspension. This community shift led to a 1.7-fold increase in current density, suggesting improved electron transfer efficiency. Additionally, Na+ upregulated genes associated with ion-gradient-driven energy conservation, rendering chain elongation energetically favorable. This led to increased intracellular ATP generation and NAD(P)H availability, which preferentially activated the fatty acid biosynthesis pathway. This work demonstrates Na+ as a simple but effective strategy for steering the production of carboxylate from CO2 in MES systems.
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