通过在生物反应器中用H2熏蒸来提高Actinobacillus succinogenes的琥珀酸产量

《Biofuels, Bioproducts and Biorefining》：Increasing the succinate yield in Actinobacillus succinogenes by fumigation of H2 in a bioreactor

微生物通过CO?固定和氢气补充协同作用提升琥珀酸产量的研究。采用厌氧搅拌罐反应器，向含CO?的氮气混合气体中持续通入氢气，发现琥珀酸产量显著提高至0.79 g/g葡萄糖，较对照组提高29%，同时副产物甲酸和醋酸减少。氢气作为外源还原剂，通过氢酶直接将电子传递给琥珀酰辅酶A还原酶，促进C4代谢途径，优化了红氧化态平衡。该策略为生物电化学合成提供了新思路。

　　微生物将二氧化碳转化为高附加值化学品提供了一条具有前景且可扩展的可持续生物生产途径，特别是在温和的反应条件和相对简单的反应器配置下。本文研究了自然的琥珀酸生产菌株*Actinobacillus succinogenes*在同时进行分子氢（H?）和二氧化碳（CO?）熏蒸条件下的琥珀酸产量变化。实验结果显示，氢气的补充显著提高了琥珀酸的产量，达到了0.79±0.07 g/g葡萄糖，这一数值相较于未使用氢气的对照发酵具有显著提升，且在未经过基因改造的条件下，该产量位列文献报道的最高水平之一。在48小时内，琥珀酸的浓度增加了29%，直接与净CO?固定速率相关。此外，氢气的加入还改善了产物选择性，使得琥珀酸在总发酵产物中的占比从CO?单独熏蒸的62%提升至72%。这些结果表明，氢气可以作为一种有效的外部还原剂，通过调节氧化还原平衡，促进C?-二羧酸的合成。该研究推进了二氧化碳利用与生物氢资源化技术的整合，为微生物发酵与碳捕集的耦合提供了新的策略。

在当前全球范围内，大气中二氧化碳浓度的不断上升以及工业部门去碳化的迫切需求，使得新型碳捕集与利用（CCU）策略日益受到关注。微生物二氧化碳固定作为其中一种生物途径，被认为可以将工业排放的二氧化碳转化为高价值的化学品和燃料，既有助于环境保护，又具备经济价值。随着可再生能源基础设施的快速发展，尤其是风能和太阳能的广泛应用，频繁的电力过剩现象使得电网稳定性与储存能力成为挑战。将这些剩余电力引导至生物电化学二氧化碳固定系统，可能成为一种可持续合成工业原料的方法，从而实现碳管理与能源利用的结合。

*Actinobacillus succinogenes*作为一种革兰氏阴性、兼性厌氧、嗜二氧化碳的微生物，因其在二氧化碳固定和琥珀酸合成方面的高效性，被视为可持续碳资源化策略中的理想生物底盘。琥珀酸是一种天然存在于多种生物体内的C?二羧酸，其盐类和酯类广泛应用于洗涤剂、医药、食品添加剂（E 363）以及多种基础化学品的生产中。尽管目前琥珀酸主要通过石化途径生产，但近年来，越来越多的研究致力于开发可持续、微生物为基础的替代方案，特别是将二氧化碳固定纳入其中。美国能源部已将琥珀酸列为12种最具前景的“基础化学”之一，认可其作为生物基产品的潜力和作为多功能平台化学品的重要性。

微生物二氧化碳固定通常通过不同的代谢途径实现，这取决于生物种类和环境条件。例如，在光合作用中，植物、蓝藻和藻类利用光能通过卡尔文-本森-巴斯哈（CBB）循环将二氧化碳转化为糖类和生物质。然而，这种途径的效率受到光能利用和氧气对关键酶RubisCO的抑制限制。相比之下，厌氧微生物则通过更具能量效率的途径，如还原性三羧酸循环（TCA）或伍德-刘易斯（Wood-Ljungdahl）途径，实现二氧化碳固定，无需依赖光能，通常使用还原性底物如氢气或一氧化碳。特别是产乙酸菌和产甲烷古菌，它们能够将二氧化碳直接转化为有机物如乙酸或甲烷，且所需的ATP数量低于光合系统。这些特性使得厌氧微生物在碳捕集与资源化方面展现出巨大潜力。

然而，二氧化碳固定技术面临诸多技术挑战，包括能量来源的限制（如光能或电子供体如氢气）、二氧化碳的低溶解度以及许多系统的低产率。此外，非光合厌氧微生物在严格厌氧条件下才能实现二氧化碳固定的最大化，因此需要专门的发酵基础设施。鉴于琥珀酸在多种生物体内的TCA循环中作为中间产物，且在发酵过程中每生产一分子琥珀酸就结合两分子二氧化碳，这使其成为减少二氧化碳排放的极具吸引力的目标产物。在*Actinobacillus succinogenes*等自然偏好这种代谢途径的微生物中，通过气体技术或电化学策略可以进一步增强其生产性能。

在*Actinobacillus succinogenes*的代谢过程中，葡萄糖转化为琥珀酸依赖于还原型辅酶（NADH）的可用性，表明任何能够提升细胞内NAD?/NADH比例的干预措施都有助于促进琥珀酸的形成。在科学文献中，NAD?/NADH比例的提升可以通过电化学手段实现，而氢气也可以作为电子供体，起到类似作用。细胞培养基中的氧化还原状态对琥珀酸的形成具有直接且显著的影响，这体现在其代谢路径的化学计量关系上。每摩尔葡萄糖转化为琥珀酸的过程需要净消耗一摩尔NADH，为了维持细胞内的氧化还原平衡，必须高效地再生这些消耗的NADH。这种再生过程通常通过副产物如乙酸和甲酸的形成实现，从而影响琥珀酸的产率。

理论上，从葡萄糖中合成琥珀酸的最大产率可达1.71 mol/mol，对应1.12 g/g的琥珀酸产量。然而，这一理论值假定理想的氧化还原条件，并未考虑NADH可用性带来的代谢限制。实际中，由于NADH再生的需要，琥珀酸的现实最大产率会降低至约0.87 g/g（1.33 mol/mol）。因此，如何优化NADH的供给成为提高琥珀酸产率的关键。

文献中关于*Actinobacillus succinogenes*琥珀酸产率的数据表明，不同菌株和培养条件下的产率存在差异。例如，菌株130Z在厌氧批次培养条件下，产率约为0.67 g/g；而菌株CGMCC1593在CO?熏蒸条件下，产率可达0.79 g/g，接近理论上限。这一产率的显著提升，可能归因于CO?的供应优化、培养条件的调整以及NADH再生途径的改善。此外，某些研究中使用了复杂的培养基，如玉米浸泡液或高浓度的酵母提取物，这些可能通过提供额外的氮源和碳源，进一步提高琥珀酸的产量。

氢气在微生物发酵中的作用是通过其作为电子供体来调节细胞内的氧化还原平衡。研究表明，氢气的加入能够显著提高琥珀酸的产率，同时减少副产物如乙酸和甲酸的形成。这一效应可能与氢酶在细胞膜上的作用有关，氢酶能够将氢气氧化并将其电子输送至细胞内的氧化还原系统，从而促进琥珀酸的形成。在某些实验中，氢气的加入还通过减少NADH的消耗，间接提升琥珀酸的合成效率。例如，通过引入氢气，琥珀酸的产量提高了约20%，同时副产物的形成减少了50%。这一结果表明，氢气作为还原剂，能够有效提升琥珀酸的合成效率。

在*Actinobacillus succinogenes*中，氢气的引入可能通过促进细胞内的还原反应，使更多的碳流进入C?-二羧酸代谢路径，从而提高琥珀酸的产率。研究显示，氢气的加入不仅促进了葡萄糖的快速消耗，还显著提高了琥珀酸的累积速度。此外，氢气的加入使得发酵过程中NADH的供应更加充足，从而避免了因NADH不足导致的副产物形成。通过这种方式，氢气的引入在不依赖人工电子介体或电化学系统的情况下，实现了琥珀酸的高效合成。

为了进一步提高琥珀酸的产率，研究还探讨了反应器技术的优化。例如，使用膜支持的气体输送、气体循环、高压发酵或结合超滤模块以延长气体停留时间，这些策略可能有助于克服气体-液体间的传质限制，提高二氧化碳的利用效率。同时，固定床反应器等技术已经被成功应用于*Actinobacillus succinogenes*的发酵过程中，通过固定细胞，提高细胞密度和反应停留时间，从而增强琥珀酸的合成效率。

综上所述，氢气的引入在微生物发酵过程中展现出显著的促进作用，不仅提高了琥珀酸的产量，还优化了产物选择性。这一发现为实现碳捕集与生物资源化技术的耦合提供了新的思路，有助于推动可持续的工业化学品生产。未来，通过进一步优化反应器设计和培养条件，有望实现更高的琥珀酸产率，同时减少对人工电子介体或电化学系统的依赖。此外，氢气作为一种可再生的电子供体，其在生物系统中的应用不仅具有环境意义，还具备良好的经济可行性。