紫色光合细菌对高氢分压的代谢响应：基于宏转录组学对生物氢产生与消耗机制的探究

《Bioresource Technology》：Metabolic responses of purple phototrophic bacteria to elevated hydrogen partial pressure: Metatranscriptomic insights into biohydrogen production and consumption

本研究探究了光发酵系统中氢分压（HPP）升高对产氢性能及紫光细菌代谢响应的影响。通过代谢组学和转录组学分析发现，当HPP达到约30%时，产氢量及细菌生长速率显著下降，氮化酶活性降低，氢化酶活性升高，导致电子分配和氧化还原平衡紊乱，抑制三羧酸循环、糖异生及光合作用；当HPP升至约40%时，产氢停止并转向消耗，但通过反向三羧酸循环和支链氨基酸合成等替代途径部分恢复代谢，经气体交换后系统快速恢复产氢，证实了紫光细菌系统应对短期高HPP抑制的鲁棒性。

　　

黄佩恬|周妍

南洋理工大学跨学科研究生项目，南洋大道61号，637335，新加坡

摘要

在生物氢生产过程中，自产生的气体积累会导致顶部空间中的氢分压（HPP）升高。然而，高HPP对光发酵系统中氢产量的影响以及光合细菌（PPB）在这种条件下的代谢反应仍知之甚少。本研究调查了高HPP对基于PPB的生物氢生产的影响，并利用宏基因组学和宏转录组学分析研究了其背后的代谢反应。当HPP达到约30%时，PPB仍能保持高效的氢气产量（0.67 ± 0.09 L H₂·g COD^?1；0.09 ± 0.01 L H₂·L^?1·d^?1），之后氢气产量和生长速度均下降。转录组学结果显示，氮化酶表达减少而氢化酶表达增加，这扰乱了电子分配和氧化还原平衡，并抑制了三羧酸（TCA）循环、糖异生和光合作用。当HPP增加到约40%时，氢气生产停止并转为消耗，同时激活了反向TCA循环和支链氨基酸合成等替代电子消耗途径以部分恢复代谢。当顶部空间气体被排出后，氢气生产迅速恢复，表明PPB系统对短期HPP抑制具有很强的适应性。本研究为光发酵系统的操作提供了实用见解，强调了将HPP维持在抑制阈值以下以维持高效氢气生产的重要性。

引言

在生物氢生产过程中，自产生的气体氛围会导致顶部空间中的氢分压（HPP）升高。在黑暗发酵（DF）中，已知氢气生成途径对HPP敏感，因为产物抑制作用（Levin, 2004）。随着HPP的增加，代谢途径倾向于向产生溶剂的途径转变，导致乳酸、乙醇、丁醇等还原性化合物的积累，从而降低氢气产量（Levin, 2004, Bielen et al., 2013, Akhlaghi and Najafpour-Darzi, 2020）。此外，高HPP还会导致产物分布从乙酸和氢气向长链脂肪酸转变（Arslan et al., 2012, Sivalingam et al., 2021）。然而，尽管HPP是影响氢气产量的关键操作参数，但在光发酵（PF）中却很少被研究。Xiang等人（2023a）报告称，随着顶部空间HPP的积累，氢气产量和生成速率显著下降。相反，当总压力降低，HPP同时降低时，光发酵的氢气产量增加（Li et al., 2011, Xiang et al., 2023b）。

紫色光合细菌（PPB）在光发酵研究中占主导地位，因为它们具有更高的氢气产量、更广泛的底物范围、更灵活的代谢能力和更强的光吸收效率，与其他光合细菌（如绿色光合细菌）相比（Chen et al., 2020, Eroglu and Melis, 2011, Huang et al., 2025, Yu et al., 2025）。尽管高HPP在DF和PF系统中可能产生类似的影响，但由于生物学途径的不同，可能会产生不同的代谢反应。然而，目前尚未有研究探讨高HPP如何影响基于PPB的光发酵过程中的底物消耗、细菌生长和产物分布。此外，高HPP下代谢途径的调节和变化尚不清楚。

在高HPP下，光发酵中氢气生产的抑制可能是由于氮化酶和氢化酶活性的协同效应。氮化酶在PPB中催化氢气生成，但对过量氢气积累敏感（Xiang et al., 2023b）。另一方面，氢气的存在已被证明可以刺激氢化酶的表达，后者催化氢气的消耗（Koku, 2002, Loss et al., 2013, Pan et al., 2024）。Kim等人（2012）观察到，在光发酵系统中氢气积累时，氮化酶活性显著下降而氢化酶活性同时增加。因此，随着HPP的升高，净氢气产量预计会下降，因为氮化酶活性降低导致氢气生成减少，而氢化酶活性增加导致氢气消耗增加。

高HPP可能触发PPB中的一系列代谢反应。首先，氮化酶活性的抑制改变了通过氢气生成来消散多余还原能力的途径，可能导致NADH等还原性电子载体的积累（Bielen et al., 2013）。氧化辅因子的缺乏（例如NAD⁺）会扰乱中心碳代谢，特别是三羧酸（TCA）循环和糖异生，从而可能对细菌生长产生负面影响（Tian et al., 2024）。

在DF中，当氢气积累时，细菌通常会转向乳酸和乙醇的生产，因为这两种途径都会消耗NADH（Bielen et al., 2013）。然而，在PF系统中尚未报道这种转变。在PPB中，除了氢气生产之外，一般的电子消耗途径还包括聚羟基烷酸（PHA）合成和卡尔文循环（Huang et al., 2024, Montiel-Corona and Buitrón, 2021）。其他潜在途径，如反向TCA（rTCA）循环和异亮氨酸生物合成，也可能有助于PPB中的氧化还原平衡（Cabecas Segura et al., 2021, Huang and Zhou, 2026）。然而，目前尚不清楚这些电子消耗途径中哪些是受高HPP激活和调节的，或者是否还有其他途径参与其中。

本研究旨在探讨由顶部空间氢气积累引起的高HPP对基于PPB的生物氢生产的影响，并利用宏基因组学和宏转录组学分析揭示这一过程中PPB的代谢反应和途径适应性。具体目标包括：（i）评估在高HPP期间富集PPB的培养物中的细菌生长、氢气生成和细胞内化合物的分布；（ii）阐明代谢途径对HPP变化的响应，并确定参与氧化还原平衡的潜在电子消耗途径；（iii）评估光发酵系统在高HPP下的稳定性和恢复能力。

部分内容摘要

接种物

根据（Huang and Zhou, 2026）描述的程序培养了一个基于PPB的生物氢生产母反应器，作为第2.2节中后续分批实验的种子培养物。在常用的短链VFAs中，丙酸被选为母反应器和后续分批实验的碳源。这一选择基于我们之前的发现，即丙酸产生的氢气比乙酸和丁酸更多

实验1中的PPB生长动力学和氢气生产性能

为了研究PPB对顶部空间氢气积累导致的高HPP的响应，监测了整个过程中的氢气分压、氢气产量、COD消耗、生物量生长以及液相中丙酸和氨的浓度，如图1所示。实验1中的PPB生长动力学和氢气生产性能总结在表2中。在前七天内，PPB表现出高效的氢气生产，HPP持续上升

结论

本研究探讨了高HPP对基于PPB的生物氢生产及其相关代谢反应的影响。当HPP达到约30%时，PPB仍能保持高效的氢气产量，之后由于氮化酶下调、氢化酶上调以及电子和氧化还原平衡的破坏，氢气产量和生长速度均下降，抑制了TCA循环、糖异生和光合作用。当HPP达到约40%时，氢气生产停止并转为消耗

作者贡献声明

黄佩恬：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，方法学，数据分析，概念化。周妍：监督，资源获取，研究资助，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢新加坡南洋理工大学环境与水研究所和跨学科研究生项目提供的研究奖学金。本研究得到了A*STAR SFS IAF-PP项目（A20H7a0152）和AcRF Tier 1 RT 12/20项目的资助（资助给周妍）。