破译微生物电合成过程中的「黑匣子」，首次实验证实微生物使用的电子来源，有助于推动商业化应用

微生物电合成（microbial electrosynthesis，MES）是利用微生物作为催化剂将二氧化碳电还原为有机物（如甲烷、乙酸、丁酸等）的过程，通俗来讲，就是微生物使用二氧化碳和电来生产有机物。

在气候变化和能源转型的背景下，这一技术在二氧化碳资源化和冗余电能的储存方面本应大有作为。然而十多年过去，虽然对电自养生物（主要是产乙酸菌）的微生物电合成研究显示了利用二氧化碳和电力生产商品化学品的潜力，但至今仍未在商业化方面取得重大突破。这主要是因为，迄今为止该过程背后的生物学一直被视为一种“黑匣子”。如果不明确，既不可能有针对性地开发微生物催化剂，也不可能有微生物电合成的工艺工程。

微生物电合成过程中到底发生了什么？

近日，德国莱布尼茨天然产物研究和感染生物学研究所（Leibniz-HKI）团队在这方面取得了突破，研究人员以模型产乙酸菌 Clostridium ljungdahlii 为研究对象，首次通过实验证实，这种细菌利用来自氢的电子，并且可以产生比以前已知的更多的化学物质。相关研究以题“Microbial electrosynthesis with Clostridium ljungdahlii benefits from hydrogen electron mediation and permits a greater variety of products”发表于 Green Chemistry 杂志。

（来源：Green Chemistry）

证实猜想

在微生物电合成过程中，微生物使用了电子，但究竟是“电流提供的电子”还是“利用氢气来转移电子”却不得而知。

此前，有一项研究假设微生物直接使用电子，然而没有得到证实。本文的通讯作者 Miriam Rosenbaum 认为，微生物更有可能使用氢气进行生物合成，因为向含有微生物的营养液中通电和二氧化碳时，其发生的反应与传统电解中的情况相同，即水被分解为氢气和氧气。

本文第一作者 Santiago Boto 解释道：“到目前为止，还没有人真正直接测量过系统中的氢气。”

在这项研究中，研究人员设置了微生物电合成反应器，以便精确控制所有参数。

为此，研究人员使用了一种纯培养物，其中含有不同浓度的模型产乙酸菌 Clostridium ljungdahlii；他们还可以控制电流并使用微型传感器测量电极产生的氢气和从液体中逸出的氢气。

通过这些设计，研究人员收集到一些证据表明细菌正在使用氢气。

具体来说，当营养介质中的细菌浓度使它们在阴极上形成生物膜，并且在电极环境中可测量到的氢气很少时，细菌的活性显著降低。当电压不够高，无法进行电解时，也会发生这种情况。只有当浮游细菌（即自由游动的细菌）可以从电极自由获得氢气时，它们才显示出高活性。

意外发现

通过这种方式，研究团队能够优化电压和细菌浓度，以获得尽可能高的乙酸产量。“这是使用纯培养物在微生物电合成中获得的迄今为止最高的乙酸滴度（6.06 g/ L），值得注意的是，这是在没有任何电极修改或反应器优化的情况下实现的，仅优化了过程的生物部分。”作者表示。

该研究的主要目标是为了解 C. ljungdahlii 和相关细菌的电自养代谢奠定基础，此外，研究人员还有意外发现。该过程中的“副反应”获得了细菌通常不会产生的氨基化合物。在与莱比锡环境研究中心的合作下，这项工作还表明，营养介质和阴极之间发生了以前没有描述过的反应，其显然加速了合成过程。

▲图丨氨基化合物在 C. ljungdahlii 电自养生长中的作用（来源：Green Chemistry）

接下来，该团队希望进一步优化流程，并具体探索这些意外发现。

研究人员表示，氨基化合物是化学工业中重要的基础物质，此研究中使用的菌种此前已在工业上使用，这也许是一种生产此类化合物的新方法。

总的来说，该研究结果有助于微生物电合成的商业化进展。Leibniz-HKI 的生物试验工厂正在就此展开合作，并与工艺工程师合作为微生物电合成开发更大的反应器。