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，并允許產生更多種類的產品

來源：Green Chem., 2023, 25,4375

 

摘要核心內容

 

本研究通過解析產乙酸菌 Clostridium ljungdahlii 的電自養生理機制，揭示了 氫（H?）介導的電子傳遞（MET） 是其高效還原CO?的關鍵途徑。主要發現：

 

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

 

 

表型調控：接種密度控制菌體形態——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：浮游模式下乙酸產量達 6.06 g/L（產率0.11 g/L/d），為純培養MES最高紀錄（表1）。

 

 

產物多樣性：首次在MES中發現 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?轉化產物譜。

 

 

工程啟示：H?可用性調控代謝通量——高H?促進乙酸合成，低H?觸發氨基酸副產物生成。

 

 

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（浮游 vs. 生物膜）對MES性能的影響。

探索CO?電還原產物的多樣性潛力。

 

研究思路與技術路線

 

graph TD

A[機制驗證] --> B[表型調控]

B --> C[性能優化]

C --> D[產物分析]

 

關鍵實驗設計：

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

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

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

 

關鍵數據及意義

數據類別 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，證偽DET主導假說

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

 

產物多樣性 圖6 甘氨酸/乙醇胺的發現拓展MES產物庫

代謝通量重編程 圖1 H?限制觸發甘氨酸合成途徑（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

 

 

 

核心結論

 

H?介導電子傳遞是 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：高細胞密度下乙酸產率（2.93 g/m2/d）和庫侖效率（87.4%）遠超文獻值（表1）。

 

代謝靈活性：H?可用性調控碳流向——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）是優化MES性能的關鍵（圖5）。

 

Unisense電極數據的深度解讀

技術原理

 

傳感器類型：Unisense H?微電極（H?-NP型）

檢測原理：安培法實時監測液相H?濃度（0–100%飽和度）

校準方法：H?飽和溶液（100%） vs. N?飽和溶液（0%）

 

關鍵發現與意義

 

H?空間分布動態（圖4B）：

生物膜區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H?累積：液相H?持續存在（>50 μmol/L），支持浮游細胞代謝。

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”，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），比熱力學預測值（-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。

 

 

 

技術價值總結

 

機制解析：實時原位監測推翻DET假說，確立MET為MES主導機制。

工藝優化：識別H?耗盡臨界點（-680 mV），指導陰極電位設定。

系統設計：浮游模式的高H?需求提示需強化傳質（如增大電極表面積）。

普適性：該技術可推廣至其他氣體依賴型生物電化學系統（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）與無損監測能力，為理解微生物電生理提供了直接證據。