摘要：随着全球能源危机的加剧和环境污染问题的日益严重，如何有效利用废弃碳源成为能源与环境领域的研究热点。传统化石能源的广泛使用不仅导致了温室气体的大量排放，还造成了不可再生资源的过度消耗。因此，寻找可持续的清洁能源替代方案显得尤为紧迫。

随着全球能源危机的加剧和环境污染问题的日益严重，如何有效利用废弃碳源成为能源与环境领域的研究热点。传统化石能源的广泛使用不仅导致了温室气体的大量排放，还造成了不可再生资源的过度消耗。因此，寻找可持续的清洁能源替代方案显得尤为紧迫。

电发酵技术作为生物技术领域的一项重要创新，近年来逐渐引起关注。与传统发酵技术相比，电发酵通过外加电场的引导，可以动态调控微生物代谢过程，实现更高效的产物生成和能量转化。根据电极的不同作用，电发酵可分为阳极电发酵和阴极电发酵，其中阳极发酵以微生物为催化剂，通过阳极氧化有机底物产生电流，同时合成高附加值化学品。这种方法不仅能够利用废弃有机物生产清洁能源，还可以为碳中和目标提供技术支撑。

阳极电发酵中，希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）和地杆菌（Geobacter sulfurreducens）是常用的电活性菌株，其具有天然的胞外电子转移能力。然而，这些菌株的代谢范围和底物适应性有限，无法高效利用复杂或多样化的碳源。

针对这一局限性，莫纳什大学的研究团队选择利用大肠杆菌作为底盘菌，开展阳极电发酵研究。大肠杆菌具有以下优势：其遗传工程工具箱成熟，可轻松实现多基因路径的构建和调控；代谢通路广泛，能够利用多种废弃碳源；在有氧和无氧条件下均具有可预测的生长性能。这些特点使大肠杆菌成为构建多功能工程菌株的理想候选。

团队通过引入希瓦氏菌的 MtrCAB-CymA 电子转移路径，为大肠杆菌赋予电活性，并整合异丁醇与 3- 甲基丁醇的合成途径，通过阳极发酵实现了生物电与高级燃料的同步生产。这一研究突破性地展示了阳极电发酵的潜力，不仅拓展了大肠杆菌的应用范围，还为废弃碳源的高值化利用提供了新思路。这篇成果发表在 Green Chemistry，题为“Co-production of bioelectricity and butanol by engineered Escherichia coli fed organic wastes in anodic fermentation”。

研究团队通过基因工程手段，将希瓦氏菌的 MtrCAB-CymA 路径引入大肠杆菌，以赋予其电活性。MtrCAB-CymA 路径能够在细胞膜内外传递电子，从而实现细胞与电极之间的电子交换。为实现燃料合成，研究还整合了 alsS-kivd-adhA 基因簇。alsS 基因催化丙酮酸生成乙醇酸内酯，而 kivd 和 adhA 基因则将中间代谢物转化为异丁醇和 3- 甲基丁醇。在有氧条件下培养的工程菌株成功生产了异丁醇（185 mg /L）和 3- 甲基丁醇（47 mg /L），验证了合成途径的功能。

图 | 阳极电发酵系统的装置布局和实验条件，并比较不同条件下电活性大肠杆菌的电发酵性能和代谢产物产量（来源：上述论文）

改造后的大肠杆菌在电发酵系统中展示了良好的性能，实验首先评估了其以葡萄糖为碳源时的电流输出和燃料合成能力。在电极连接的条件下，系统产生的最大电流密度为 95.2±2.7 mA/ m²，峰值出现在培养 14.5 小时后。与此同时，异丁醇的产量与开路系统相当，表明电子转移至电极对燃料合成没有明显干扰。此外，电发酵系统的电子转移量达到了 0.1 mmol（96 小时内），显示出显著的电化学活性。

研究进一步评估了不同废弃碳源在电发酵系统中的表现，包括葡萄糖、甘油和乙酸。实验结果显示，甘油作为碳源时性能最佳，不仅产生了最高的异丁醇产量（232 mg /L），还实现了 0.14±0.02 mmol 的电子转移量，显著高于葡萄糖和乙酸。甘油浓度的变化对系统性能产生了明显影响。过高的甘油浓度可能导致细胞内氧化还原失衡，产生更多的乙酸副产物，同时降低了电子向电极的转移效率。25 mM 甘油是最适浓度。

图|比较不同碳源在利用工程化大肠杆菌进行阳极电发酵时的性能差异。（来源：上述论文）

为探究电极表面积对电子转移效率和异丁醇产量的影响，研究团队将电极的表面积从 8 cm²增加至 40 cm²。实验结果显示，较大的电极表面积显著提升了电子转移量，96小时内电子转移量从 0.14±0.02 mmol提高至 0.59±0.03 mmol，增幅达 420%。此外，较大的电极表面积显著改善了氧化还原平衡，降低了乙酸的副产物生成，显示出更高的电子转移效率。

尽管电子转移效率显著提高，但异丁醇的产量未随电极表面积增加而显著变化。在 40 cm²电极条件下，异丁醇产量略低于 8 cm²电极，分别为 228 mg/ L 和 232 mg /L（p = 0.48）。这表明异丁醇合成可能受到底物利用率和代谢通量的限制，而非电子转移效率的直接影响。

图|电极表面积增加可提高工程化大肠杆菌的电子传递效率和丁醇产量。（来源：上述论文）

本研究首次实现了工程化大肠杆菌在电发酵系统中同时生产生物电与高级生物燃料的目标。通过引入 MtrCAB-CymA 路径赋予菌株电活性，并整合 alsS-kivd-adhA 基因簇构建异丁醇和 3- 甲基丁醇的合成途径，改造菌株在无氧条件下表现出优异的电子转移能力和燃料合成效率。最终发现，甘油作为废弃碳源表现最佳，不仅产生最高异丁醇产量（232 mg /L），还实现了最高电子转移量（0.14±0.02 mmol）。同时，增加电极表面积至 40 cm²，显著提高了电子转移效率，减轻了氧化还原失衡问题，展现出优化电发酵系统的重要潜力。

综上所述，本研究不仅为废弃碳源的高效资源化利用提供了新思路，还展示了工程化微生物在清洁能源领域的广阔应用前景。未来，通过系统优化和产业化实践，电发酵技术有望成为能源和化学品可持续生产的重要手段。

参考链接：

1.Jong B, Haritos V S. Co-production of bioelectricity and butanol by engineered Escherichia coli fed organic wastes in anodic fermentation[J]. Green Chemistry, 2024.

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来源：生辉SciPhi