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

使用楊氏梭菌的微生物電合成受益于氫電子介導(dǎo)，并允許產(chǎn)生更多種類的產(chǎn)品

來源：Green Chem., 2023, 25,4375

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過解析產(chǎn)乙酸菌 Clostridium ljungdahlii 的電自養(yǎng)生理機制，揭示了 氫（H?）介導(dǎo)的電子傳遞（MET） 是其高效還原CO?的關(guān)鍵途徑。主要發(fā)現(xiàn)：

 

電子傳遞機制：陰極產(chǎn)生的H?是主要電子載體（非直接電子傳遞），支持菌體生長和產(chǎn)物合成（圖4）。

 

 

表型調(diào)控：接種密度控制菌體形態(tài)——高密度接種促進浮游生長（Planktonic），低密度接種形成生物膜（Biofilm）（圖3）。

 

 

性能突破：浮游模式下乙酸產(chǎn)量達(dá) 6.06 g/L（產(chǎn)率0.11 g/L/d），為純培養(yǎng)MES最高紀(jì)錄（表1）。

 

 

產(chǎn)物多樣性：首次在MES中發(fā)現(xiàn) 甘氨酸（0.39 g/L）和乙醇胺（0.14 g/L） 的顯著積累（圖6），拓展了CO?轉(zhuǎn)化產(chǎn)物譜。

 

 

工程啟示：H?可用性調(diào)控代謝通量——高H?促進乙酸合成，低H?觸發(fā)氨基酸副產(chǎn)物生成。

 

 

研究目的

 

明確 C. ljungdahlii 在MES中的電子傳遞機制（直接DET vs. 間接MET）。

解析菌體形態(tài)（浮游 vs. 生物膜）對MES性能的影響。

探索CO?電還原產(chǎn)物的多樣性潛力。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

graph TD

A[機制驗證] --> B[表型調(diào)控]

B --> C[性能優(yōu)化]

C --> D[產(chǎn)物分析]

 

關(guān)鍵實驗設(shè)計：

電子傳遞驗證：通過階梯式提升陰極電位（-900 mV → -400 mV），監(jiān)測H?消失閾值（-680 mV）與代謝停滯的關(guān)聯(lián)（圖4）。

表型控制：高/低接種密度（10? vs. 3.4×10? cells）分別誘導(dǎo)浮游/生物膜主導(dǎo)生長（圖3）。

產(chǎn)物分析：HPLC定量有機酸/醇，熒光染色結(jié)合顯微鏡觀察生物膜（圖3C-D）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及意義

數(shù)據(jù)類別 來源圖表 研究意義

H?依賴性驗證 圖4B H?濃度與代謝活性正相關(guān)，證偽DET主導(dǎo)假說

浮游模式優(yōu)勢 圖5C 浮游生長乙酸產(chǎn)量（6.06 g/L）為生物膜的7.5倍

 

產(chǎn)物多樣性 圖6 甘氨酸/乙醇胺的發(fā)現(xiàn)拓展MES產(chǎn)物庫

代謝通量重編程 圖1 H?限制觸發(fā)甘氨酸合成途徑（RGP）

電極表面元素分析 圖2A-B Fe/Co等金屬電沉積促進非生物CO?還原

 

 

 

核心結(jié)論

 

H?介導(dǎo)電子傳遞是 C. ljungdahlii MES的核心機制，生物膜與浮游菌均依賴H?（非DET）。

浮游生長模式更高效：高細(xì)胞密度下乙酸產(chǎn)率（2.93 g/m2/d）和庫侖效率（87.4%）遠(yuǎn)超文獻值（表1）。

 

代謝靈活性：H?可用性調(diào)控碳流向——高H?時乙酸為主，低H?時激活甘氨酸/乙醇胺合成。

工程啟示：提高陰極H?生成速率（如增大電極表面積）是優(yōu)化MES性能的關(guān)鍵（圖5）。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的深度解讀

技術(shù)原理

 

傳感器類型：Unisense H?微電極（H?-NP型）

檢測原理：安培法實時監(jiān)測液相H?濃度（0–100%飽和度）

校準(zhǔn)方法：H?飽和溶液（100%） vs. N?飽和溶液（0%）

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義

 

H?空間分布動態(tài)（圖4B）：

生物膜區(qū)H?耗盡：電極近場（<100 μm）H?濃度接近0，表明生物膜對H?的快速消耗。

浮游區(qū)H?累積：液相H?持續(xù)存在（>50 μmol/L），支持浮游細(xì)胞代謝。

意義：首次量化生物膜/浮游菌對H?的利用差異，解釋浮游模式高性能原因。

 

代謝停滯閾值（圖4）：

當(dāng)陰極電位 > -680 mV時，Unisense檢測到H?消失（氣相/液相），伴隨：

乙酸合成停止（圖4C）

OD???下降（圖4B）

意義：明確H?是代謝活動的“開關(guān)”，為電位控制提供臨界值（-680 mV）。

 

非生物H?生成驗證（圖1B-C）：

LSV顯示H?析出起始電位（-650 mV），比熱力學(xué)預(yù)測值（-548 mV）低102 mV。

意義：揭示電極表面金屬沉積（Fe/Co）降低HER過電位，促進生物可利用H?生成。

 

 

 

技術(shù)價值總結(jié)

 

機制解析：實時原位監(jiān)測推翻DET假說，確立MET為MES主導(dǎo)機制。

工藝優(yōu)化：識別H?耗盡臨界點（-680 mV），指導(dǎo)陰極電位設(shè)定。

系統(tǒng)設(shè)計：浮游模式的高H?需求提示需強化傳質(zhì)（如增大電極表面積）。

普適性：該技術(shù)可推廣至其他氣體依賴型生物電化學(xué)系統(tǒng)（如甲烷生成）。

 

注：Unisense微電極在本研究中的不可替代性在于其 高時空分辨率（秒級響應(yīng)）與無損監(jiān)測能力，為理解微生物電生理提供了直接證據(jù)。