Conductive Materials on Biocathodes Altered the Electron-Transfer Paths and Modulated γ-HCH Dechlorination and CH4 Production in Microbial Electrochemical Systems

产甲烷 生物炭 阴极 脱氯作用 导电体 电化学 电子转移 化学 化学工程 材料科学 纳米技术 甲烷 生物降解 光化学 有机化学 电极 物理化学 热解 工程类 复合材料
作者
Jie Cheng,Meng Liu,Xin Su,Bruce E. Rittmann,Zhijiang Lu,Jianming Xu,Yan He
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (7): 2739-2748 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c06097
摘要

Adding conductive materials to the cathode of a microbial electrochemical system (MES) can alter the route of interspecies electron transfer and the kinetics of reduction reactions. We tested reductive dechlorination of γ-hexachlorocyclohexane (γ-HCH), along with CH4 production, in MES systems whose cathodes were coated with conductive magnetite nanoparticles (NaFe), biochar (BC), magnetic biochar (FeBC), or anti-conductive silica biochar (SiBC). Coating with NaFe enriched electroactive microorganisms, boosted electro-bioreduction, and accelerated γ-HCH dechlorination and CH4 production. In contrast, BC only accelerated dechlorination, while FeBC only accelerated methanogenesis, because of their assemblies of functional taxa that selectively transferred electrons to those electron sinks. SiBC, which decreased electro-bioreduction, yielded the highest CH4 production and increased methanogens and the mcrA gene. This study provides a strategy to selectively control the distribution of electrons between reductive dechlorination and methanogenesis by adding conductive or anti-conductive materials to the MES's cathode. If the goal is to maximize dechlorination and minimize methane generation, then BC is the optimal conductive material. If the goal is to accelerate electro-bioreduction, then the best addition is NaFe. If the goal is to increase the rate of methanogenesis, adding anti-conductive SiBC is the best.
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