人类对于化石燃料的大量开采利用，使能源短缺和温室效应两大全球问题出现在人类面前，由国际能源署预测：世界能源需求将从2009年的120亿吨石油当量增长至180亿吨, 全球CO₂年排放量将从2009年的290亿吨增长至430亿吨^[1]。人类对于能源的需求将大大超越能源的供应量，使得生态环境被破坏，因此我们需要寻求新的可再生能源的利用来实现可持续发展。

CO₂是一种地球上广泛的可再生能源，在地球上, 植物通过光合作用利用太阳能转化CO₂,合成各种各样的有机物即可以用来作为能源。除光合作用外,自然界已经发现了另外5条CO₂固定途径，而这5条途径都存在于微生物中。如Sporomusa ovata（S.ovata）就是一种产乙酸的厌氧菌，可以在自然条件下以H2作为电子供体，通过Wood-Ljungdahl途径将CO₂还原为乙酸，且该途径为目前已知固碳途径中能耗最低的途径^[2]。

微生物电合成(microbial electrosynthesis, MES)，是指微生物细胞利用电能驱动CO₂还原为有机物的过程，微生物电合成也是最近10年来发展起来的生物能源战略，其中微生物使用来自电极的电子将二氧化碳还原为从细胞中分泌出的有机产物。任何形式的电能都可以为微生物电合成提供动力，而且当从太阳能技术获得电力并且水是电子的来源时，微生物电合成是光合作用的人造形式^[3]。微生物电合成以电能作为能量输入，CO₂为唯一碳源，结果是将可再生的电能转变成稳定可储存的化学能。

微生物电合成过程发生于生物电化学系统中。生物电化学系统包含一个阴极、一个阳极，中间通常由离子交换膜将两极分开，电极浸于电解质溶液中。此系统中，整个细菌作为生物催化剂来驱动固态电极上的氧化反应或还原反应，在阳极上发生氧化反应，在阴极上发生还原反应。

2010年, Nevin等人首次采用产乙酸菌(Sporomusa ovata，S.ovata)进行微生物电合成,在阴极电势为-0.4V的条件下,生成了乙酸和少量的2-氧-丁酸,乙酸的持续生产能力达到3个月之久,但乙酸的产率还比较低,为23 mmol m-2天-1^[4]。2015年，Ganigue等人首次报道了以CO₂为唯一碳源,通过生物电化学方法生产丁酸^[5]。在所有已经研究过的产乙酸菌中, S.ovata的催化效率最高,被认为是电合成微生物的最好选择。由此可见，研究使用微生物电合成技术利用S.ovata将CO₂进行固定为多碳有机分子能源是一种十分有前景的生物能源策略。在该微生物电合成系统中，阳极发生反应：4H₂O-8e^-→8H 2O₂↑，阴极发生反应：2CO₂ 8H 8e^-→CH₃COOH 2H₂O，阳极电解液为311培养基（311B.M），阴极为311B.M与S.ovata菌液，氢离子通过中间的质子交换膜进行交换，细菌在阴极材料上形成生物膜并产醋酸。

而在其研究中，很重要的一方面则是对电极材料的选择和改造。电极是微生物电合成系统中一个很重要的部分，直接影响着最终醋酸的产量。目前,微生物电合成系统阴极材料大多使用碳材料，如碳毡、碳布、石墨等。Zhang等人使用多种方法对碳布进行修饰,使电极表面带有正电荷，并通过S.ovata电合成测试了这些电极材料的性能，结论为如此处理可以提高细菌与电极之间的相互作用,有利于生物膜的形成，且增加了乙酸的产量^[3]。理想的电极材料需要具有良好的电子活性表面、较高的电子传递速率和较低的过电势，以及具有较大的表面积和较好的生物相容性, 以利于生物膜的形成。因此研究不同的复合阴极材料对最终乙酸的产量的影响是十分有价值的。

2016年，L.Varanasi等人研究了在微生物燃料电池中阳极材料使用氧化钨（WO₃）和铂-钨氧化物（Pt/WO₃）纳米复合材料浸渍，以此改善其发电情况。已知氧化钨纳米颗粒具有良好的电催化性能、低成本、生物相容性和无毒性，因此它们广泛用于生物传感器，生物成像和生物电化学系统^[6]。可以设想使用钨基阴极，并使用不同的金属进行复合，得到不同钨基复合阴极材料，测试其在S.ovata乙酸微生物电合成系统中对于乙酸产量的影响。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 实验试剂及仪器

2.1.1 实验试剂及材料

石墨板（20*50*2mm），不同的复合钨基电极，参比电极（Ag/AgCl），离子交换膜Nafion115，电极夹