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

與榮達梭菌的微生物電合成受益于氫電子介導，并允許更多種類的產品

來源：Green Chem., 2023, 25, 4375–4386

 

1. 摘要核心內容

 

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

 

氫（H?）介導的電子傳遞（MET） 是 C. ljungdahlii 在MES中的主導機制，而非直接電子傳遞（DET）。

通過控制接種密度，成功誘導 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：醋酸鹽產量達 6.06 g L?1（產率 0.11 g L?1 d?1），庫侖效率（CE）達 87.4%，為純培養MES最高紀錄。

首次在MES中發現 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。

應用價值：為MES工藝優化（如電極設計、H?供應調控）和產物譜擴展提供理論依據。

 

2. 研究目的

 

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

探究微生物生長表型（浮游 vs. 生物膜）對MES性能的影響。

優化電自養代謝路徑，提升產物（如醋酸鹽）的產量與效率。

探索MES中新型產物的合成潛力（如氨基酸衍生物）。

 

3. 研究思路

 

表型控制實驗：

通過 接種密度調控（高密度→浮游主導；低密度→生物膜主導）實現生長表型分離（圖3）。

 

電化學系統構建：

使用H型反應器（圖1A），陰極電位固定為 -900 mV（vs. Ag/AgCl），驗證H?產生的電位閾值（圖1B-C）。

 

代謝性能對比：

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

 

 

機制驗證：

通過 電位階梯實驗（-900 mV → -400 mV）驗證H?對代謝活性的必要性（圖4）。

代謝通量分析：

結合 基因組尺度模型（GSM） 解釋甘氨酸/乙醇胺的合成路徑。

 

4. 測量數據及意義

關鍵數據來源與意義

 

測量參數 數據來源 研究意義

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

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反應對微環境的改變。

醋酸鹽產量 HPLC（圖5C） 浮游表型產量（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） 首次發現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，關聯更高代謝活性。

 

 

Unisense電極數據的核心意義

 

技術優勢：

Unisense H?微傳感器（H?-NP）和 pH微電極（PH-500）實現 原位、實時、空間分辨 測量，避免傳統方法（如頂空氣相色譜）的采樣擾動。

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

關鍵發現：

H?濃度梯度（圖S5）：陰極附近H?濃度 > 0.6 mM，且浮游表型反應器中H?擴散更均勻，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HER反應（2H? + 2e? → H?）消耗質子導致局部堿化，可能影響微生物活性。

機制解析：

結合電位階梯實驗（圖4），證明當電位 > -650 mV（H?停止產生）時，代謝活性驟降，直接關聯 H?可用性 與細胞活性。

應用價值：

為MES反應器設計提供依據：需優化電極結構/流體力學以促進H?擴散，避免局部pH失衡。

 

5. 結論

 

電子傳遞機制：

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

 

 

表型性能差異：

浮游生長 更高效：醋酸鹽產量（6.06 g L?1）和CE（87.4%）遠超生物膜生長（圖5），因H?擴散利用率更高。

代謝多樣性：

首次發現 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 觸發的代謝分流（如還原甘氨酸途徑）。

工藝優化方向：

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