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沈陽生態所在調控輔因子池與電子供給促進生物能源生產方面取得新進展
在全球尋求化石燃料替代品的背景下，利用海藻等海洋生物質生產生物乙醇和生物氫等可再生能源已成為重要方向。傳統上，生物乙醇和生物氫的生產過程是分開的，而利用產乙醇菌發酵褐藻協同生產氫氣和乙醇是一種極具潛力的新興技術。然而，該過程的效率受到細胞內電子載體(如NADH)數量和電子供給能力的雙重限制，現有的基因工程或環境調控策略往往會增加菌株的代謝負擔或工業化成本，成為該技術走向應用的主要瓶頸。
本研究提出了一種“輔因子與氧化還原協同工程”新策略，通過外源添加煙酸(NA)和納米零價鐵(nZVI)，成功突破了生物燃料生產中的瓶頸。研究發現，煙酸作為合成輔因子NAD 的前體，能夠擴大細胞內的總NAD池，增加電子載體的“容量”;而納米零價鐵作為外部電子供體，則能提供額外的電子“供給”。當兩者協同作用時，發酵褐藻水解液的生物能源轉化效率(BioECE)達到了33.57%，相較于對照組提升了84.65%。研究進一步揭示，該策略的效果具有底物依賴性，在電子產出較少的葡萄糖發酵中效果更為顯著，這闡明了協同策略的核心優勢在于同時解決了“電子載體容量”和“電子供給”兩個不同層面的限制因素。這項研究首次證實了通過協同調控輔因子庫和氧化還原狀態來克服代謝瓶頸的可行性，為從海洋生物質中高效回收生物能源提供了經濟且有效的新途徑。
該研究成果以“Unlocking synergistic hydrogen-ethanol co-production from brown algae through nicotinic acid-mediated NAD pool expansion”為題發表于International Journal of Hydrogen Energy雜志。中國科學院沈陽應用生態研究所李偉明研究員為第一作者兼通訊作者，卞夢陽、金燦、賈永鋒為共同作者，曾祥峰為共同通訊。該研究得到了國家自然科學基金(42477248，52200041，42377251)、中國科學院百人計劃、遼寧省優青項目(2024JH3/10200025)等項目的資助。
圖1 煙酸(NA)與零價鐵對褐藻發酵的影響：(a)甘露醇消耗，(b)累計產氫量，(c)乙醇產量，以及(d)產物選擇性。
圖2 煙酸對煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)合成及氧化還原調節的影響。(a) E. harbinense中的NAD合成途徑。(b) 通過qPCR測定煙酸磷酸核糖基轉移酶(NAPRT)和煙酰胺單核苷酸腺苷酸轉移酶(NMNAT)的相對基因表達量。NaMN：煙酸單核苷酸;NMNAT：煙酸單核苷酸腺苷酸轉移酶;NaAD：煙酸腺嘌呤二核苷酸;NADS：NAD合成酶。(c) 48小時時的總NAD濃度。(d) 48小時時的NADH與NAD?的比值。(e) 8天發酵過程中的氧化還原電位曲線
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