综述：利用蓝细菌生产有机酸的进展：策略与应用

本综述系统阐述了蓝细菌（Cyanobacteria）作为光合微生物平台，在可持续有机酸生产中的最新进展。文章重点探讨了其通过固碳（CO2）和光能捕获能力，替代传统石化路线与异养发酵的潜力，涵盖代谢工程策略（如CRISPRi、途径扩增）、关键酶（如PEPC、LDH、MDH）调控、培养参数优化（光强、CO2水平）及工业化应用（如生物塑料前体、绿色化学品），同时指出产量低、遗传稳定性与反应器放大等挑战。

　　

蓝细菌：有机酸生产的绿色细胞工厂

蓝细菌作为地球上最早的光合放氧生物，凭借其固碳能力和光能驱动特性，成为可持续生物制造的理想平台。与传统依赖糖类发酵的异养微生物（如大肠杆菌Escherichia coli）不同，蓝细菌直接利用CO₂和光能合成有机酸，显著降低碳足迹，契合循环生物经济需求。

有机酸的工业价值与生产瓶颈

有机酸（如琥珀酸、乳酸、柠檬酸）是重要的平台化学品，广泛应用于制药、食品、生物塑料（如聚乳酸PLA）和能源领域。全球市场需求持续增长，但传统生产依赖石化路线或异养发酵，存在高能耗与环境污染问题。蓝细菌的光自养模式为此提供了绿色替代方案，但其天然产量低、代谢网络复杂、易形成副产物（如乙酸、糖原）等问题制约了工业化进程。

蓝细菌的代谢基础与工程策略

蓝细菌的有机酸合成主要依赖于中心碳代谢网络，包括卡尔文循环（CBB）、糖酵解、三羧酸循环（TCA）及其分支途径。关键前体如丙酮酸、磷酸烯醇丙酮酸（PEP）、乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）和草酰乙酸（OAA）通过酶促反应转化为目标有机酸。例如：

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  琥珀酸（SA）：通过TCA循环氧化分支或还原分支（厌氧条件下）合成，工程策略包括过表达磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（PEPC）、柠檬酸合酶（CS），或敲除琥珀酸脱氢酶（SDH）以阻断下游消耗。
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  乳酸（LA）：依赖乳酸脱氢酶（LDH）还原丙酮酸，需平衡NADH/NADPH辅因子，并引入外源转运蛋白（如LldP）增强分泌。
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  乙酸：经乙酸激酶（AckA）和磷酸转乙酰酶（Pta）途径产生，亦可通过磷酸酮醇酶（Xpk）旁路合成。

基因编辑工具（如CRISPR-Cas9、CRISPRi）实现了精准代谢重编程，例如抑制糖原合成基因（glgC）以增强碳通量，或动态调控途径酶表达以解耦生长与生产阶段。辅因子工程（如转氢酶PntAB表达）优化了NAD(P)H平衡，显著提升了产物效价。

培养优化与系统级策略

环境因素（光强、温度、CO₂浓度、pH）深刻影响蓝细菌代谢流。例如：

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  氮饥饿可促使碳流向有机酸积累而非生物质合成；
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  弱酸性条件促进弱有机酸（如乳酸）的被动扩散；
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  两阶段培养（先光促生物质积累，后暗发酵）有效提高产量。

先进光生物反应器（如多层设计MPBR）通过优化光分布和气体传输提升了光合效率。下游回收技术（如电渗析、原位产物移除ISPR）则缓解了产物抑制和纯化成本问题。

案例突破与当前挑战

多项研究展示了工程菌株的潜力：

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  Synechocystis PCC 6803 通过过表达苹果酸酶（ME）和乳酸脱氢酶（ldhD），在发酵中实现D-乳酸产量26.6 g/L；
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  Synechococcus PCC 7942 利用CRISPRi抑制竞争途径，使琥珀酸产量达8.9 g/L；
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  PCC 7002 工程菌通过核糖开关调控柠檬酸合酶，产量提升百倍。

然而，蓝细菌生长缓慢、遗传不稳定性、副产物形成及反应器放大难题仍是商业化瓶颈。多组学分析（代谢组、转录组）与人工智能指导的代谢模型（如OptKnock）正加速理性设计高效菌株。

未来展望：从实验室到工业应用

蓝细菌有机酸生产的发展需融合系统生物学、过程工程与经济性评估。方向包括：

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  开发动态调控系统（光诱导启动子、核糖开关）；
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  增强酸耐受性与产物分泌能力；
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  整合废水衍生碳源与工业CO₂实现混合营养生产；
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  构建多产品生物精炼系统（如联产氢能、生物塑料）。

尽管挑战犹存，蓝细菌作为光合细胞工厂，有望为有机酸绿色制造开启低碳未来，推动生物经济向碳中性转型。