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文|黎璎珞

(相关资料图)

编辑|黎璎珞

前言

全世界的工厂使用可再生资源生产化学品和燃料的趋势一直是在增加，而从废物和二氧化碳中提取的有机材料是可再生的，并可以作为生产生物燃料和生物化学品的替代来源。在这篇综述中，我们将调查通过微生物电合成 (MES) 从有机物中生产溶剂和醇类，这是一项新兴技术。

MES 涉及在厌氧微生物（生物催化剂）的新陈代谢中使用电辅助系统，与传统发酵方法相比，它在溶剂生产方面表现出改进。特别感兴趣的是电养生物，它们是能够从阴极接收电子以将有机碳源还原成有价值的生化物质的微生物菌株。

MES的环境效益和演变

微生物电合成 (MES) 的应用超出了生化生产，它还可用于废水处理和污染物去除。

在微生物电化学（MEC）领域，出现了各种新的应用，包括微生物电渗析电池、微生物盐水-废水电解电池、微生物电解脱盐和化学品生产电池以及微生物反电渗析电解电池。

这些不同的配置和设置允许微生物过程与电化学系统的集成，以解决与废水处理、脱盐和化学品生产相关的挑战，同时利用微生物和电力的潜力。

废水虽然是环境污染物的来源，但也可以被视为具有多种潜在应用的可再生资源。

其中一项应用是微生物燃料电池 (MFC)，微生物可以利用废水中的有机物发电，这个过程不仅产生清洁能源，而且有助于废水处理。

同时废水可以作为通过微生物电合成 (MES) 过程生产商品生物化学品的宝贵来源，通过将 MES 与废物生物精炼厂相结合，可以从废水中回收和再利用资源，从而实现更可持续和更有效的废物管理方法，MES 过程提供了生物修复的潜力，其中涉及从废水中去除污染物。

MES 中发生的反应可以定制以选择性地针对特定污染物，从而处理和净化废水流。

废物生物精炼厂的整合为资源回收、水再利用、发电、有价值的生物化学品的生产以及废水中污染物的去除提供了机会，有助于采用更可持续和循环的废水管理方法。

各种来源的氨基酸可以用作溶剂发酵的底物，例如农业残留物或废物流，而微生物可以代谢这些氨基酸，产生丁醇或丙酮等溶剂。

纤维素生物质，例如农业废弃物、木屑或专用能源作物，可以通过酶促水解成可发酵糖，然后微生物可以利用这些糖生产溶剂。

这些示例突出了可用于溶剂发酵过程的生物质来源的多功能性，从而能够利用各种废物流和未充分利用的资源进行可持续的化学生产。

微生物电解细胞

微生物电合成 (MES) 的一个优点是它不需要大量的水，并且还能将生物材料加工成生物燃料或生物化学品，这可以对环境产生积极影响，特别是在水资源短缺的地区。

传统的生物质加工方法，如大规模发酵或水解，通常需要大量的水来进行生物质预处理、酶促反应和分离过程。

MES 利用与微生物的电化学反应，可以在较低的水需求下运行，通过减少生物质到生物燃料转化过程中对大量水的需求，MES 有助于节约水资源，并最大限度地减少与水消耗相关的环境影响，例如淡水枯竭和废水产生。

考虑到全球对化石燃料的可持续替代品的需求不断增加，这一点尤为重要。

而且MES 可以潜在地利用各种生物质原料，包括废料或非粮食作物，这进一步减少了与用于燃料或化学目的的大规模生物质生产相关的环境影响。

通过最大限度地提高生物质转化效率和最大限度地减少用水量，MES 为更可持续和更环保的生物燃料生产提供了一条有前途的途径。

生物氢和甲烷被认为是可持续的清洁燃料，可以使用尖端的微生物电解池 (MEC) 技术生产。MEC 利用电化学和微生物过程的组合将各种原料（包括不同的废水、二氧化碳、有机物和生物材料）转化为生物氢和甲烷。

MEC 技术的一个关键方面是使用氢营养型微生物，它们能够直接利用氢气生产甲烷或其他有价值的副产品。

这些微生物参与 MEC 阴极的电化学反应，在那里它们消耗产生的氢气并因此产生甲烷。

MEC 性能，包括提高制氢和甲烷生成的效率。这涉及优化反应器设计、电极材料和操作条件，以增强电化学和微生物过程。

另一个挑战是选择和维护能够有效地将氢气转化为甲烷的强健的氢营养型微生物。研究工作的重点是识别和表征具有高氢利用率和甲烷产量的微生物群落。

MEC 系统的可扩展性和成本效益需要提高，以使其在经济上适用于大规模生物制氢和甲烷生产。

这包括开发高效耐用的电极材料、优化系统配置以及将 MEC 与其他工艺集成以提高整体能量转换效率。

尽管存在这些挑战，MEC 技术仍有望实现可持续和清洁燃料的生产，因为它可以利用废物流和温室气体作为原料，同时生产有价值的能源载体。

与传统发酵工艺相比，工程微生物有可能生产出具有增强能力的特殊产品，一个例子是纤维素分解细菌和产乙酸细菌，特别是梭状芽孢杆菌属物种的工程改造，可以将纤维素、CO2 和 H2 高产率地转化为正丁醇。

传统的发酵工艺，例如丙酮-丁醇-乙醇 (ABE) 发酵，在利用纤维素作为底物方面存在局限性。

通过基因工程技术，可以修饰纤维素分解梭菌菌株以有效降解纤维素并产生正丁醇作为所需产物。这使得能够利用富含纤维素的原料来生产生物燃料和生物化学品。

微生物电化学电池 (MEC) 提供了利用 CO2 和生产高级醇的潜力。

Ralstonia eutropha H16 是一种产乙酸菌，经过改造可使用 CO2 作为碳源，并将其转化为高级醇，如 MEC 中的异丁醇和 3-甲基-1-丁醇 (3MB)。

这种电化学方法为从 CO2 中生产有价值的化合物提供了一种替代和可持续的方法，有助于碳捕获和利用策略的发展，可以探索和优化各种特殊产品的生产，包括生物燃料、生物化学品和其他高价值化合物。

通过基因操作定制微生物的能力允许开发更高效和可持续的生物过程，从而有助于向生物经济的过渡。

微生虫

在电辅助发酵中，我们已经研究了各种微生物产生溶剂（例如醇）的能力。

我们常研究的微生物中就包括梭菌属物种，例如丙酮丁醇梭菌和拜氏梭菌，因为它们以产生溶剂的能力而闻名。

用于溶剂生产的介质的选择可以根据特定的微生物和所需的最终产品而变化，通常，培养基由碳源、营养素和支持微生物生长和溶剂产生的适当条件组成。常用的碳源包括碳水化合物，例如葡萄糖、木糖或纤维素，它们可以从不同的生物质原料中获得。

请务必注意，介质组成、工艺条件和电化学参数（如果适用）的优化对于实现高溶剂收率和生产率至关重要。具体细节和结果可能因研究和调查目标而异。

产溶剂梭菌是革兰氏阳性菌，能够通过其代谢途径产生溶剂，例如丁醇、乙醇和丙酮。这些细菌可以利用单糖和多糖（例如葡萄糖或纤维素）作为溶剂生产的碳源。

产溶剂梭菌生产溶剂需要高氧化还原电位，这可以通过提供额外的动力或在发酵过程中保持适当的条件来实现。这可以通过多种方式实现，例如电化学辅助或优化发酵条件以增强微生物细胞内的氧化还原平衡。

产溶剂梭菌因其在生物燃料生产中的潜力而被广泛研究，特别是丁醇。与乙醇相比，丁醇具有更高的能量密度和与现有燃料基础设施的相容性，因此被认为是一种很有前途的生物燃料。

丁醇的生产面临产品毒性大、收率低等挑战。研究人员探索了各种策略，包括基因工程和工艺优化，以提高产溶剂梭菌的丁醇产量。

通过了解产溶剂梭菌的代谢途径和要求，研究人员旨在开发更高效、经济上可行的生物燃料生产工艺。底物选择、工艺条件和菌株工程的优化有助于提高溶剂产量，并使可再生资源的生物燃料生产更具可持续性。

产溶剂梭状芽胞杆菌是厌氧菌，可以在无氧条件下代谢碳水化合物。它们拥有一种独特的代谢途径，称为“丙酮-丁醇-乙醇 (ABE) 发酵途径”，这使它们能够产生一系列初级代谢物，包括丁醇以及丙酮和乙醇。

在 ABE 发酵途径中，葡萄糖或其他碳水化合物首先通过糖酵解转化为丙酮酸，然后丙酮酸通过一系列酶促反应进一步代谢，从而产生丙酮、丁醇和乙醇。

该途径涉及将乙酰辅酶 A 还原转化为丁醇，这需要在细胞内提供还原当量和受控的氧化还原平衡。

产溶剂梭菌拥有独特的酶和调节机制，使它们能够将碳通量转移到溶剂生产而不是其他代谢途径。

丁醇的生产尤为引人注目，因为它是一种有价值的生物燃料和具有多种应用的工业化学品。

我们一直在研究不同的策略来优化产溶剂梭菌的发酵条件、碳源和基因改造，以提高丁醇生产的产量和选择性。

这包括探索替代原料、代谢工程方法和发酵过程优化，产溶剂梭菌利用碳水化合物和生产丁醇的能力，能够使它们成为生物燃料生产和可持续生物精炼厂发展的有吸引力的候选者。

微生物生物催化剂，通常称为电养生物或电活性微生物，具有从外部来源（阴极）接受电子并在其代谢过程中利用它们的能力。

他们可以利用各种电子供体，如有机化合物或分子氢，来驱动电化学反应并产生目标化学品。

在电化学反应中使用微生物生物催化剂有几个优点。

它提供了一种可持续且环保的化学品生产方法，因为它依赖于可再生资源并在温和的条件下运行，它还可以利用废物流和温室气体作为原料，有助于废物修复和碳捕获。

在优化电化学系统中微生物生物催化剂的性能、稳定性和效率方面仍然存在挑战需要克服。

结论

废水中存在的生物质营养素可以作为燃料和化学品生产的可再生和替代来源，富含营养的废物流，例如来自生物柴油生产的粗甘油，有可能被用作能源，在未来的全球能源生产中发挥重要作用。

在生产化学品，特别是酒精的背景下，微生物发酵和电化学合成的整合受到了关注。

这种方法将微生物的代谢能力与电化学过程相结合，以提高目标化合物的产量，这一综合过程的一个重要方面是细胞外电子转移，它涉及微生物和电极之间的电子交换。

酒精、溶剂或生物燃料的微生物发酵确实有某些缺点，包括产品浓度低、生产率低和回收成本高。

电子辅助过程，如电化学合成，提供了一种提高产量和解决这些限制的替代方法，通过电化学系统提供额外的电子，该过程可以提高目标化学品的生产效率和产量。

微生物发酵和电化学合成的结合有望实现化学品和燃料的可持续高效生产，需要进一步的研究来优化工艺条件，改进电子转移机制，并开发具有成本效益的回收策略。

所以这种方法提供了一种潜在的解决方案，可以提高废水中生物质养分所需产品的产量和生产率，从而有助于发展更具可持续性和经济可行性的生物基经济。

参考文献

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