微生物電合成（microbial electrosynthesis，MES）是利用微生物作為催化劑將二氧化碳電還原為有機(jī)物（如甲烷、乙酸、丁酸等）的過程，通俗來講，就是微生物使用二氧化碳和電來生產(chǎn)有機(jī)物。

在氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的背景下，這一技術(shù)在二氧化碳資源化和冗余電能的儲(chǔ)存方面本應(yīng)大有作為。然而十多年過去，雖然對(duì)電自養(yǎng)生物（主要是產(chǎn)乙酸菌）的微生物電合成研究顯示了利用二氧化碳和電力生產(chǎn)商品化學(xué)品的潛力，但至今仍未在商業(yè)化方面取得重大突破。這主要是因?yàn)椋駷橹乖撨^程背后的生物學(xué)一直被視為一種“黑匣子”。如果不明確，既不可能有針對(duì)性地開發(fā)微生物催化劑，也不可能有微生物電合成的工藝工程。

微生物電合成過程中到底發(fā)生了什么？

近日，德國萊布尼茨天然產(chǎn)物研究和感染生物學(xué)研究所（Leibniz-HKI）團(tuán)隊(duì)在這方面取得了突破，研究人員以模型產(chǎn)乙酸菌 Clostridium ljungdahlii 為研究對(duì)象，首次通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種細(xì)菌利用來自氫的電子，并且可以產(chǎn)生比以前已知的更多的化學(xué)物質(zhì)。相關(guān)研究以題“Microbial electrosynthesis with Clostridium ljungdahlii benefits from hydrogen electron mediation and permits a greater variety of products”發(fā)表于 Green Chemistry 雜志。

（來源：Green Chemistry）

證實(shí)猜想

在微生物電合成過程中，微生物使用了電子，但究竟是“電流提供的電子”還是“利用氫氣來轉(zhuǎn)移電子”卻不得而知。

此前，有一項(xiàng)研究假設(shè)微生物直接使用電子，然而沒有得到證實(shí)。本文的通訊作者 Miriam Rosenbaum 認(rèn)為，微生物更有可能使用氫氣進(jìn)行生物合成，因?yàn)橄蚝形⑸锏臓I養(yǎng)液中通電和二氧化碳時(shí)，其發(fā)生的反應(yīng)與傳統(tǒng)電解中的情況相同，即水被分解為氫氣和氧氣。

本文第一作者 Santiago Boto 解釋道：“到目前為止，還沒有人真正直接測量過系統(tǒng)中的氫氣。”

在這項(xiàng)研究中，研究人員設(shè)置了微生物電合成反應(yīng)器，以便精確控制所有參數(shù)。

為此，研究人員使用了一種純培養(yǎng)物，其中含有不同濃度的模型產(chǎn)乙酸菌 Clostridium ljungdahlii；他們還可以控制電流并使用微型傳感器測量電極產(chǎn)生的氫氣和從液體中逸出的氫氣。

通過這些設(shè)計(jì)，研究人員收集到一些證據(jù)表明細(xì)菌正在使用氫氣。

具體來說，當(dāng)營養(yǎng)介質(zhì)中的細(xì)菌濃度使它們?cè)陉帢O上形成生物膜，并且在電極環(huán)境中可測量到的氫氣很少時(shí)，細(xì)菌的活性顯著降低。當(dāng)電壓不夠高，無法進(jìn)行電解時(shí)，也會(huì)發(fā)生這種情況。只有當(dāng)浮游細(xì)菌（即自由游動(dòng)的細(xì)菌）可以從電極自由獲得氫氣時(shí)，它們才顯示出高活性。

意外發(fā)現(xiàn)

通過這種方式，研究團(tuán)隊(duì)能夠優(yōu)化電壓和細(xì)菌濃度，以獲得盡可能高的乙酸產(chǎn)量?！斑@是使用純培養(yǎng)物在微生物電合成中獲得的迄今為止最高的乙酸滴度（6.06 g/ L），值得注意的是，這是在沒有任何電極修改或反應(yīng)器優(yōu)化的情況下實(shí)現(xiàn)的，僅優(yōu)化了過程的生物部分?！弊髡弑硎尽?/p>

該研究的主要目標(biāo)是為了解 C. ljungdahlii 和相關(guān)細(xì)菌的電自養(yǎng)代謝奠定基礎(chǔ)，此外，研究人員還有意外發(fā)現(xiàn)。該過程中的“副反應(yīng)”獲得了細(xì)菌通常不會(huì)產(chǎn)生的氨基化合物。在與萊比錫環(huán)境研究中心的合作下，這項(xiàng)工作還表明，營養(yǎng)介質(zhì)和陰極之間發(fā)生了以前沒有描述過的反應(yīng)，其顯然加速了合成過程。

▲圖丨氨基化合物在 C. ljungdahlii 電自養(yǎng)生長中的作用（來源：Green Chemistry）

接下來，該團(tuán)隊(duì)希望進(jìn)一步優(yōu)化流程，并具體探索這些意外發(fā)現(xiàn)。

研究人員表示，氨基化合物是化學(xué)工業(yè)中重要的基礎(chǔ)物質(zhì)，此研究中使用的菌種此前已在工業(yè)上使用，這也許是一種生產(chǎn)此類化合物的新方法。

總的來說，該研究結(jié)果有助于微生物電合成的商業(yè)化進(jìn)展。Leibniz-HKI 的生物試驗(yàn)工廠正在就此展開合作，并與工藝工程師合作為微生物電合成開發(fā)更大的反應(yīng)器。