Page 39 - 《精细化工》2022年第8期

第 8 期 王 黎，等: 微生物电合成捕获 CO 2 及高效催化转化研究进展 ·1539·

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如：中性红 、甲基紫精 、蒽醌-2,6-二磺酸 和硫 了直接电子转移的可能性 [11] 。除了单一菌种，混合
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堇 。外源电子介体的使用前景广阔，但其化学性 菌种的协同作用也可进行直接电子转移，如氢营养
能不稳定、对微生物的毒性以及难以将其从产品中 型和醋酸裂解型产甲烷菌的混合物可以通过直接
分离出来 [10] ，可能会限制其作为 MES 系统中电子 EET 将 CO 2 转化为 CH 4 [12] 。目前，对于直接电驱动
“穿梭机”的应用。在电活性微生物的应用中，生 转化的分子机制尚不明确，有待进一步研究。
物体需要较低的电能来维持其生长，阴极电子的直 1.2 电活性微生物还原 CO 2 代谢过程
接供给更具可持续性和能源效率。 图 3、4 展示了 3 种电化学微生物固定 CO 2 途径。
与间接电子转移相比，微生物与电极之间的直 还原性乙酰辅酶 A 途径（WLP）是迄今为止确定的
接电子转移使用较高的平衡阴极电位，此条件下不 6 种生物固定 CO 2 途径中的一种特殊途径，通过 EET
易产生富电子载流子。因此，直接 EET 更具前景和 以及其他酶促反应，CO 2 被还原为乙酰辅酶 A。乙
经济效益。有研究使用删除分解代谢和合成代谢氢 酰辅酶 A 的代谢流向是决定 MES 终产物的关键，
化酶编码基因的菌株（M. maripaludis MM1284）直 利用调控基因或系统的参数可以控制微生物的代
接在−0.600 V 平衡阴极电位下吸收阴极电子，证明 谢，进而延长碳链，得到更具价值的产物。

注：ACP 为酰基载体蛋白；ADP 为二磷酸腺苷；CoA 为辅酶 A；Pi 为磷酸基团；CFeSP 为类咕啉铁硫蛋白；CH 5CO-CoA 为乙
酰辅酶 A，下同。
图 3 微生物通过还原性乙酰辅酶 A 途径合成产物代谢原理 [18]
Fig. 3 Metabolic principle of synthetic products of microorganisms through reductive acetyl CoA pathway [18]

以产乙酸菌为例，在 MES 中产乙酸菌可以利用 酸盐，可以证明，通过进一步优化电活性微生物代
WLP 将 CO 2 还原为醋酸盐，一般将 H 2 作为还原剂， 谢能力在微生物电合成中可以发挥巨大的潜力。
但由于 H 2 在水中的溶解度较低，其分压会影响自养 经过还原性乙酰辅酶 A 途径后，其产生的乙酰
微生物与电极间的电子传递过程，而且 H 2 价格昂 辅酶 A 会进入循环的逆 β-氧化（RBO）途径。在每
贵，现有研究者尝试多种方法来制造理想的代谢途 个逆 β-氧化周期，乙酰辅酶 A 会偶联其他辅酶 A 衍
径。研究表明，通过增加气体的溶解度（如通过降 生物以形成增加两个碳的新的辅酶 A 衍生物 [16] 。有
低培养温度 [13] 或调节 CO 2 分压 [14] ）可提高系统中的 关微生物群碳链延伸研究表明，合成中链脂肪酸最
固碳速率和气体转化率。类似地，VALERIA 等 [15] 活跃和关键的途径是脂肪酸生物合成（FAB）途径，
研究了同 样 具 有 WLP 途径的硫 酸 盐还原细 菌 而不是逆 β-氧化途径。在这项研究中，乙酸和乙醇
Desulfosporosinus orientis 的电生理学特征，通过 序批式供应，产生 C3、C4、C5 和 C6 的混合物。基
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NaH CO 3 稳定同位素标记实验证实了乙酸生物电 于宏基因组和宏转录组分析，HAN 等 [17] 证明，碳链
合成的存在。在血清瓶实验中，D. orientis 还生成丁 延伸到正己酸 FAB 途径比 RBO 途径更为活跃。