发展绿色可持续的CO2转化利用技术对推动我国实现双碳目标具有重要意义,风光电解水制氢生物法还原烟气CO2制甲烷是国内外研究热点。CO2生物甲烷化过程存在H2溶解传质差导致合成甲烷速率受限、甲烷古菌氢酶活性低导致电子传递过程慢、菌群反应多元途径竞争导致电子传递非定向等技术瓶颈,制约了 CO2加氢生物法还原制甲烷技术的产业化发展。本文提出全氟化碳纳米乳液作为氢载体促进H2溶解向甲烷古菌转运,采用铁基纳米颗粒增强甲烷古菌细胞活性和胞外电子传递,探究了地杆细菌与甲烷古菌梯级转化H2和CO2合成甲烷的协同反应路径,显著提升了 CO2生物甲烷化能力。为了解决H2气液混合传质差导致甲烷古菌利用CO2/H2反应受限问题,提出了全氟化碳纳米乳液作为氢载体促进H2溶解提高CO2还原生成甲烷速率。当添加全氟化碳纳米乳液1 vol.%时,H2溶解吸附量提高了 34.5%。全氟化碳分子和表面活性剂组成的纳米乳液有效地在溶液中运输H2分子,缓解H2的气液混合传质限制;纳米乳液亲脂性醚键基团与甲烷八叠球菌细胞膜的非特异性结合,有利于H2分子从纳米乳液到细胞的运输。添加纳米乳液1.5 vol.%时产甲烷峰值速率提高了 30.6%,迟滞时间缩短了 84.5%,有效加速了 CO2生物甲烷化过程。为了模拟甲烷古菌细胞膜上氢酶[NiFe]活性中心的分子结构促进H2催化分解成质子和电子,设计合成镍铁双金属硫化合物[Ni,Fe]S2增强甲烷古菌细胞活性和胞外电子传递能力。镍铁双金属硫化物在HEnasidenib半抑制浓度2分解逆反应中具有较低的过电位,提高了电化学循环伏安曲线中的峰值电流,更有利于CO2生物甲烷化中的电子传递过程。甲烷八叠球菌胞外聚合物中的色氨酸类和富里酸类物质含量增加,增强了细胞活性和胞外电子传递能力。当添加200 mg/LR(R表示生物反应器体积)镍铁双金属硫化合物后,氢气利用速率加快增强了生物甲烷化过程,使CO2到甲烷的转化率由63.6%提高至91.6%。为了提高生物甲烷化系统的电子存储转移能力,采用纳米零价铁颗粒富集优势氢营养甲烷菌增强CO2生物甲烷化。纳米零价铁颗粒使CO2生物甲烷化系统电容量和电子转移常数分别提高到genetic fate mapping2倍和32.8倍。高通量基因测序表明:优势甲烷菌群为甲烷囊菌属、甲烷丝菌属和甲烷嗜热杆菌属,其中甲烷嗜热杆菌属丰度由7%提高到16%,优化富集了优势氢营养甲烷菌群。添加1.5 g/LR纳米零价铁颗粒后,产甲烷峰值速率提高了 80%,甲烷产量提高了 66.1%达到0.186 L/LR,碳转化率提高到92.9%。为了解决生物甲烷化过程中菌群反应多元途径竞争导致的电子传递非定向问题,探究了地杆细菌和甲烷八叠球菌梯级转化H2和CO2合成甲烷的协同反应路径:地杆细菌消耗H2产生的电子定向传递至甲烷古菌还原CO2。蛋白质组学分析表明:地杆细菌中膜结合的[NiFe]氢化selleck化学酶Hyb加速H2转化为质子和电子。产甲烷相关的甲基辅酶M还原酶、铁氧还蛋白、黄素氧还蛋白、膜相关ATP合成酶、膜相关质子泵均显著上调,说明甲烷八叠球菌细胞中的碳固定反应、能量转换和电子转移均得到改善。地杆细菌和甲烷八叠球菌之间存在富里酸类物质介导的种间电子传递机制促进了 CO2向甲烷转化,使产甲烷速率提高了2.1倍达到0.158 mL/mL-H2/d,反应启动迟滞时间和产甲烷速率峰值时间分别缩短了 24.6%和 45.7%。将地杆细菌加入到混合甲烷菌群中增强了 CO2生物甲烷化过程。地杆细菌丰度增加增强了氢气分解为质子和电子,促进了混合甲烷菌群的电子储存转移能力;甲烷囊菌属丰度增加促进了 CO2转化甲烷过程。胞外聚合物中的富里酸类电化学活性物质含量增加,介导种间定向电子传递还原CO2生成甲烷。当地杆细菌与混合甲烷菌群的体积比为2:4时,甲烷产量提高了 33.3%达到0.24 mL/mL-H2(接近理论最大产量0.25 mL/mL-H2),碳转化率提高到96%。