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沈陽生態所在電子介體調控發酵合成高附加值產物領域取得新進展
在“雙碳”戰略背景下，厭氧發酵正成為有機廢棄物變廢為寶的核心技術。通過厭氧微生物的代謝，餐廚垃圾、農業秸稈、工業廢水等廢棄物可轉化為氫氣、生物乙醇等清潔能源，短鏈脂肪酸(SCFAs)以及丁醇等高附加值產品。多功能細菌菌株、多樣化的原料可用性和廣泛的產品范圍相結合，使厭氧發酵廣泛應用于環境和工業領域以及生物燃料生產領域，成為推動綠色低碳發展的關鍵技術之一。電子傳遞對于厭氧發酵中高附加值產品的生產效率至關重要。電子介體(EMs)，也稱為電子穿梭體，可以促進電子轉移，以對抗限制發酵的不可逆或緩慢的氧化還原反應。添加EMs已被證明是促進各種細菌發酵以合成高附加值產品的有效策略。
根據EEMs來源，可分為生物合成EMs和人工合成EMs。EEMs在發酵中的影響受多種因素影響，包括添加濃度、添加時間、發酵條件、穩定性、生物相容性和毒性。厭氧發酵中，NAD /NADH比值對代謝產物的分布具有重要影響。消耗代謝過程中產生的NADH以維持氧化還原平衡，其電子用于形成還原化合物。產氫是微生物中氧化還原平衡的關鍵過程，由氫化酶催化，EEMs爭奪氫化酶的活性位點，將電子流從制氫重定向到NADH生成，從而提高NADH利用效率，實現其他還原產物的高產率和高選擇性。除抑制氫化酶活性外，EEMs還可影響FNR活性，進一步提高發酵過程中NAD(P)H的可用性。EEMs是氧化還原活性化學物質，可調節發酵系統的ORP并影響能量通量和NADH/NAD 比值。當EEMs被引入發酵系統時，如果其ORP比NAD 的ORP更負(-316 mV)，其會提供電子將NAD 還原為NADH。EEMs可以通過氧化還原充當電極和微生物之間的橋梁，增強電子傳遞并影響發酵過程中碳和電子通量的分布。在中性紅(NR)和甲基紫精(MV)等EEMs存在的情況下，EF系統會增強底物降解并誘導更多的碳通量到醇合成中。EEMs還促進電子從微生物轉移到末端電子受體。本文闡明了影響EEMs調節效果的因素，強調了精確控制的必要性。未來的研究可集中于開發高效EEMs，同時還要考慮成本和環境影響。
中國科學院沈陽應用生態研究所全面綜述外源電子介體(EEMs)在各種場景中應用的最新進展，總結了常見的EEM類型、特性和機制，并討論了不同的應用場景以闡明EEM的作用效果。探討了EEM應用的關鍵技術挑戰和未來方向，闡明了其在提高發酵效率和產品產量方面的重要性以及巨大潛力。本研究有助于為不同發酵場景EEMs的選擇與優化提供參考，有力推動EEM在能源、環保、食品和工業等不同領域的應用。該研究成果近日以“Application of exogenous electron mediator in fermentation to enhance the production of value-added products”為題發表于環境微生物領域權威期刊Applied and Environmental Microbiology。本所聯合培養研究生余穎翾為第一作者，中國科學院沈陽應用生態研究所李偉明研究員、大連理工大學程馳副教授與沈陽生態所曾祥峰研究員為通訊作者，石中亮、賈永峰等為共同作者。該研究得到了國家自然科學基金(42477248，52200041)、中國科學院率先行動計劃、遼寧省優青項目(2024JH3/10200025)、遼寧省自然科學基金聯合項目(2024-MSLH-069)的支持。
圖1 厭氧發酵的核心代謝途徑
圖2 EEMs的分類、結構和應用
圖3 EEMs對(a)NADH利用、(b)ORP、(c)EF的作用機制
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