Microbial electrosynthesis with Clostridium ljungdahlii benefits from hydrogen electron mediation and permits a greater variety of Products

與榮達(dá)梭菌的微生物電合成受益于氫電子介導(dǎo)，并允許更多種類的產(chǎn)品

來源：Green Chem., 2023, 25, 4375–4386

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

論文闡明了 Clostridium ljungdahlii 在微生物電合成（MES）中的電子傳遞機(jī)制，并優(yōu)化了其電自養(yǎng)代謝性能：

 

氫（H?）介導(dǎo)的電子傳遞（MET） 是 C. ljungdahlii 在MES中的主導(dǎo)機(jī)制，而非直接電子傳遞（DET）。

通過控制接種密度，成功誘導(dǎo) 浮游生長（高接種密度）和 生物膜生長（低接種密度）兩種表型。

浮游生長 性能更優(yōu)：醋酸鹽產(chǎn)量達(dá) 6.06 g L?1（產(chǎn)率 0.11 g L?1 d?1），庫侖效率（CE）達(dá) 87.4%，為純培養(yǎng)MES最高紀(jì)錄。

首次在MES中發(fā)現(xiàn) 甘氨酸（0.39 g L?1） 和 乙醇胺（0.14 g L?1） 的顯著積累，表明代謝通量多樣化。

應(yīng)用價(jià)值：為MES工藝優(yōu)化（如電極設(shè)計(jì)、H?供應(yīng)調(diào)控）和產(chǎn)物譜擴(kuò)展提供理論依據(jù)。

 

2. 研究目的

 

明確 C. ljungdahlii 在MES中的電子傳遞機(jī)制（DET vs. MET）。

探究微生物生長表型（浮游 vs. 生物膜）對(duì)MES性能的影響。

優(yōu)化電自養(yǎng)代謝路徑，提升產(chǎn)物（如醋酸鹽）的產(chǎn)量與效率。

探索MES中新型產(chǎn)物的合成潛力（如氨基酸衍生物）。

 

3. 研究思路

 

表型控制實(shí)驗(yàn)：

通過 接種密度調(diào)控（高密度→浮游主導(dǎo)；低密度→生物膜主導(dǎo)）實(shí)現(xiàn)生長表型分離（圖3）。

 

電化學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建：

使用H型反應(yīng)器（圖1A），陰極電位固定為 -900 mV（vs. Ag/AgCl），驗(yàn)證H?產(chǎn)生的電位閾值（圖1B-C）。

 

代謝性能對(duì)比：

比較浮游與生物膜表型的 電流密度、產(chǎn)物積累（醋酸鹽、甘氨酸等）及 庫侖效率（圖4-5）。

 

 

機(jī)制驗(yàn)證：

通過 電位階梯實(shí)驗(yàn)（-900 mV → -400 mV）驗(yàn)證H?對(duì)代謝活性的必要性（圖4）。

代謝通量分析：

結(jié)合 基因組尺度模型（GSM） 解釋甘氨酸/乙醇胺的合成路徑。

 

4. 測量數(shù)據(jù)及意義

關(guān)鍵數(shù)據(jù)來源與意義

 

測量參數(shù) 數(shù)據(jù)來源 研究意義

H?濃度梯度 Unisense H?微傳感器（圖S5） 證實(shí)陰極附近溶解H?濃度 > 0.6 mM，支持 H?介導(dǎo)的電子傳遞（MET）主導(dǎo)。

pH梯度 Unisense pH微電極（圖S5） 顯示陰極附近 局部堿化（pH 8.5），揭示HER反應(yīng)對(duì)微環(huán)境的改變。

醋酸鹽產(chǎn)量 HPLC（圖5C） 浮游表型產(chǎn)量（6.06 g L?1）顯著高于生物膜表型（1.01 g L?1），證明浮游生長更高效。

甘氨酸/乙醇胺積累 HPLC-UV/熒光檢測（圖6） 首次發(fā)現(xiàn)MES中氨基酸衍生物積累，揭示 代謝通量多樣化 潛力。

電流密度 恒電位儀（圖4A） 浮游表型電流密度（-0.45 mA cm?2）更高，關(guān)聯(lián)更高代謝活性。

 

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的核心意義

 

技術(shù)優(yōu)勢：

Unisense H?微傳感器（H?-NP）和 pH微電極（PH-500）實(shí)現(xiàn) 原位、實(shí)時(shí)、空間分辨 測量，避免傳統(tǒng)方法（如頂空氣相色譜）的采樣擾動(dòng)。

分辨率達(dá) μM級(jí)（H?）和 0.01 pH單位，精準(zhǔn)捕捉電極-生物界面微環(huán)境變化。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

H?濃度梯度（圖S5）：陰極附近H?濃度 > 0.6 mM，且浮游表型反應(yīng)器中H?擴(kuò)散更均勻，解釋其更高代謝效率。

pH梯度（圖S5）：陰極附近pH升至 8.5（vs. 本體溶液pH 7.0），證實(shí)HER反應(yīng)（2H? + 2e? → H?）消耗質(zhì)子導(dǎo)致局部堿化，可能影響微生物活性。

機(jī)制解析：

結(jié)合電位階梯實(shí)驗(yàn)（圖4），證明當(dāng)電位 > -650 mV（H?停止產(chǎn)生）時(shí)，代謝活性驟降，直接關(guān)聯(lián) H?可用性 與細(xì)胞活性。

應(yīng)用價(jià)值：

為MES反應(yīng)器設(shè)計(jì)提供依據(jù)：需優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)/流體力學(xué)以促進(jìn)H?擴(kuò)散，避免局部pH失衡。

 

5. 結(jié)論

 

電子傳遞機(jī)制：

H?介導(dǎo)的MET 是C. ljungdahlii在MES中的主導(dǎo)途徑，DET貢獻(xiàn)可忽略（CV無特征峰，圖S10-S11）。

 

 

表型性能差異：

浮游生長 更高效：醋酸鹽產(chǎn)量（6.06 g L?1）和CE（87.4%）遠(yuǎn)超生物膜生長（圖5），因H?擴(kuò)散利用率更高。

代謝多樣性：

首次發(fā)現(xiàn) 甘氨酸（0.39 g L?1）和 乙醇胺（0.14 g L?1）積累（圖6），源于 氧化還原失衡 觸發(fā)的代謝分流（如還原甘氨酸途徑）。

工藝優(yōu)化方向：

優(yōu)先采用 浮游表型 并保障 H?供應(yīng)（如增大電極表面積）；避免生物膜表型的低效代謝。