利用 CO2实现可持续生物电生产：工程化两阶段微生物共培养强化乙酸代谢的创新突破

大气中 CO2浓度上升引发气候变化，亟需可持续能源方案。研究人员开展利用微生物燃料电池（MFCs），以 CO2为碳源、乙酸为中间体制备生物电的研究。结果提升了 MFC 性能，为碳中和能源生产提供新途径。

　　在全球能源与环境问题日益严峻的当下，化石燃料的大量使用就像一把双刃剑，在满足人类能源需求的同时，也释放出大量二氧化碳（CO₂）等温室气体。这些温室气体不断在大气层中累积，如同给地球裹上了一层越来越厚的 “棉被”，导致全球气候变暖，引发冰川融化、海平面上升、极端气候事件增多等一系列严重后果，对生态环境和人类健康构成了巨大威胁。

为了应对这一挑战，可持续能源的开发成为全球科研人员竞相追逐的目标。利用 CO₂作为主要碳源生产生物电，既能减少对化石燃料的依赖，又能降低 CO₂排放，无疑是一个极具潜力的方向。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFCs）作为该领域的前沿技术，可借助微生物的活动将 CO₂中的化学能转化为电能。然而，目前的研究进展并不顺利。直接以 CO₂为食的蓝藻和微藻虽然被应用于 MFCs 中，但它们的胞外电子传递（Extracellular Electron Transport，EET）能力较差，而且人们对其内在的 EET 机制了解有限，这使得生物电的生产效率难以提高。此外，Shewanella oneidensis MR-1 这种具有良好 EET 途径的模式细菌，虽然在生物电化学领域被广泛研究，但它的底物利用范围较窄，对乙酸的利用率和产电能力较低，且在利用乳酸等底物时还存在电子保留和底物转化效率低的问题。

在这样的背景下，国内的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们旨在探索利用 CO₂作为主要碳源、乙酸作为中间体制备生物电的可行性，通过工程化手段优化微生物共培养体系，提高生物电的生产效率。研究结果令人振奋，不仅成功构建了合成微生物共培养体系，还大幅提升了 MFC 的性能，为碳中和能源生产提供了一条可扩展的可持续途径。该研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为该领域的发展带来了新的希望。

研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。首先是基因工程技术，他们合成并克隆了 purB、adk 等多个基因片段，构建表达载体，实现对 Shewanella oneidensis MR-1 的模块化工程改造。同时，采用微生物培养技术，培养 Clostridium ljungdahlii 和改造后的 Shewanella oneidensis MR-1，并构建两阶段生物催化系统。此外，还可能运用了电化学检测技术，测量微生物燃料电池的输出电压、功率密度等性能指标 。

下面详细介绍研究结果：

• 构建工程菌株：研究人员将 purB、adk、ato1、ato2 等多个基因（包含特定酶切位点）合成并克隆到 pUC57simple 载体上，再将其与表达载体 pYYDT 进行酶切连接，构建出含有不同基因的重组质粒，为后续对 Shewanella oneidensis MR-1 的工程化改造奠定基础。
• 模块化工程策略提升乙酸代谢和产电能力：针对 Shewanella oneidensis MR-1 在厌氧条件下乙酸代谢受限的问题，研究人员采用了一系列模块化工程策略。通过增强内源性 ATP 供应，为乙酸代谢提供充足能量；整合 ATP 非依赖的乙酸利用途径，拓宽乙酸代谢方式；增加细胞内 NADH 的可用性，促进电子传递；利用基于菌毛的人工导电纳米线增强界面电子转移。这些策略使得工程菌株以乙酸为底物时，实现了最大细胞密度（OD₆₀₀ = 0.611），输出电压达到创纪录的 351.3 mV，功率密度达 94.9 mW/m² 。
• 两阶段生物催化系统的应用：研究人员开发了以 CO₂为主要碳源的两阶段生物催化系统，该系统利用 Clostridium ljungdahlii 将 CO₂转化为乙酸，再由工程化的 Shewanella oneidensis MR-1 将乙酸转化为生物电。最终，该系统产生了 209.3 mV 的输出电压和 65.0 mW/m²的功率密度 。

在研究结论与讨论部分，研究人员成功通过模块化方法对 Shewanella oneidensis MR-1 进行工程改造，显著提升了其乙酸代谢和生物电产生能力。这种工程化微生物共培养体系，为利用 CO₂高效生产生物电提供了新的解决方案。它不仅验证了微生物驱动的碳中和能源的可行性，还为可再生能源系统的规模化应用开辟了道路。这一研究成果为全球可持续能源发展提供了重要的理论依据和实践参考，有望在未来推动能源领域的重大变革，减少人类对化石燃料的依赖，缓解气候变化带来的压力 。