在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，厭氧發(fā)酵正成為有機(jī)廢棄物變廢為寶的核心技術(shù)。通過厭氧微生物的代謝，餐廚垃圾、農(nóng)業(yè)秸稈、工業(yè)廢水等廢棄物可轉(zhuǎn)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(chǎn)品。多功能細(xì)菌菌株、多樣化的原料可用性和廣泛的產(chǎn)品范圍相結(jié)合，使厭氧發(fā)酵廣泛應(yīng)用于環(huán)境和工業(yè)領(lǐng)域以及生物燃料生產(chǎn)領(lǐng)域，成為推動綠色低碳發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。電子傳遞對于厭氧發(fā)酵中高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)效率至關(guān)重要。電子介體(EMs)，也稱為電子穿梭體，可以促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，以對抗限制發(fā)酵的不可逆或緩慢的氧化還原反應(yīng)。添加EMs已被證明是促進(jìn)各種細(xì)菌發(fā)酵以合成高附加值產(chǎn)品的有效策略。

根據(jù)EEMs來源，可分為生物合成EMs和人工合成EMs。EEMs在發(fā)酵中的影響受多種因素影響，包括添加濃度、添加時間、發(fā)酵條件、穩(wěn)定性、生物相容性和毒性。厭氧發(fā)酵中，NAD /NADH比值對代謝產(chǎn)物的分布具有重要影響。消耗代謝過程中產(chǎn)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(chǎn)氫是微生物中氧化還原平衡的關(guān)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(xiàn)其他還原產(chǎn)物的高產(chǎn)率和高選擇性。除抑制氫化酶活性外，EEMs還可影響FNR活性，進(jìn)一步提高發(fā)酵過程中NAD(P)H的可用性。EEMs是氧化還原活性化學(xué)物質(zhì)，可調(diào)節(jié)發(fā)酵系統(tǒng)的ORP并影響能量通量和NADH/NAD 比值。當(dāng)EEMs被引入發(fā)酵系統(tǒng)時，如果其ORP比NAD 的ORP更負(fù)(-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(dāng)電極和微生物之間的橋梁，增強電子傳遞并影響發(fā)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(tǒng)會增強底物降解并誘導(dǎo)更多的碳通量到醇合成中。EEMs還促進(jìn)電子從微生物轉(zhuǎn)移到末端電子受體。本文闡明了影響EEMs調(diào)節(jié)效果的因素，強調(diào)了精確控制的必要性。未來的研究可集中于開發(fā)高效EEMs，同時還要考慮成本和環(huán)境影響。

中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所全面綜述外源電子介體(EEMs)在各種場景中應(yīng)用的最新進(jìn)展，總結(jié)了常見的EEM類型、特性和機(jī)制，并討論了不同的應(yīng)用場景以闡明EEM的作用效果。探討了EEM應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)和未來方向，闡明了其在提高發(fā)酵效率和產(chǎn)品產(chǎn)量方面的重要性以及巨大潛力。本研究有助于為不同發(fā)酵場景EEMs的選擇與優(yōu)化提供參考，有力推動EEM在能源、環(huán)保、食品和工業(yè)等不同領(lǐng)域的應(yīng)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(fā)表于環(huán)境微生物領(lǐng)域權(quán)威期刊Applied and Environmental Microbiology。本所聯(lián)合培養(yǎng)研究生余穎翾為第一作者，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所李偉明研究員、大連理工大學(xué)程馳副教授與沈陽生態(tài)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(xué)基金(42477248，52200041)、中國科學(xué)院率先行動計劃、遼寧省優(yōu)青項目(2024JH3/10200025)、遼寧省自然科學(xué)基金聯(lián)合項目(2024-MSLH-069)的支持。

圖1 厭氧發(fā)酵的核心代謝途徑

圖2 EEMs的分類、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

圖3 EEMs對(a)NADH利用、(b)ORP、(c)EF的作用機(jī)制