将营养特性不同的微生物菌株进行气相整合，以实现二氧化碳的净减少并提高代谢产物的产量

《Microbial Biotechnology》：Gas-Phase Integration of Trophically Distinct Microbial Cultures for Net-Reduced CO2 and Enhanced Metabolite Production

可持续碳循环：气相连接异养-自养共培养系统提升PHB和类胡萝卜素生产效率，降低CO?排放20.62%。

　　
大气中二氧化碳浓度的持续上升，促使全球加速发展可持续的生物技术以捕获并循环利用碳。光合微生物通过固定二氧化碳合成有机物，但其生产效率常受限于环境条件。另一方面，异养发酵虽具备高效生产的特点，却会释放大量二氧化碳。如何将两种代谢模式有效结合，实现碳的高效循环利用，成为生物制造领域的重要课题。

本研究创新性地构建了气体联动的共培养系统，通过物理隔离与气体交换的巧妙设计，实现了异养代谢产生的二氧化碳被自养代谢重新固定。实验选用红螺菌sphaeroides作为模式生物，通过适应性进化（ALE）分别培育出异养型（R-Het）和自养型（R-Auto）菌株。在气体联动的共培养系统中，异养型菌株利用葡萄糖快速生长并释放二氧化碳，而自养型菌株通过光能驱动将二氧化碳转化为生物量及高附加值产物（如聚羟基丁酸酯PHB和类胡萝卜素）。

实验数据显示，与传统独立培养相比，气体联动的系统使异养型菌株的生物量积累提升56.4%，自养型菌株的生物量增加72.3%。价值代谢产物产量分别达到非联控系统的2.02倍和1.88倍，其中类胡萝卜素产量从6.06mg/升提升至12.22mg/升，PHB产量从3.49mg/升增至6.56mg/升。系统整体二氧化碳排放量降低20.62%，证实了代谢耦合的有效性。

该系统的核心创新在于通过物理分隔维持代谢独立性，同时建立气体交换通道。实验采用GL45玻璃瓶配备 sterile peristaltic pump实现气体循环，每分钟以0.1体积比的速率进行气体交换。这种设计避免了传统混合培养中菌群竞争的问题，使得异养代谢产生的二氧化碳能被自养代谢及时捕获。在12天培养周期中，异养型菌株的葡萄糖消耗速率达到1.2mmol/(g·h)，而自养型菌株的二氧化碳固定速率稳定在8.5mg/(L·d)。

研究进一步揭示了代谢适应的动态平衡。自养型菌株经过三次适应性进化后，在标准光照（200-400lx）和30℃培养条件下，其光能转化效率提升至传统培养的1.8倍。然而实验也发现，当持续暴露于葡萄糖环境时（超过14天），自养代谢活性会下降约35%，这提示系统需要周期性的碳源补充或代谢调节策略。通过添加二次葡萄糖补给，自养型菌株的二氧化碳固定能力可恢复至初始水平的92%。

在代谢调控方面，研究发现了关键节点：异养代谢产生的丙酮酸通过三羧酸循环（TCA）进入中央代谢途径，而自养代谢的卡尔文循环（CBB）与TCA存在共享的乙酰辅酶A节点。气体联动系统通过调节这两个代谢流的比例，使碳转化效率提升至传统异养发酵的1.5倍。特别值得注意的是，在葡萄糖浓度超过3mM时，系统通过增强丙酮酸氧化还原势，有效促进了自养型菌株的卡尔文循环活性。

该技术路线在工业应用中展现出显著优势。首先，通过物理隔离避免了菌群间的直接竞争，使得异养代谢和自养代谢可以独立优化。其次，气体交换的速率可控（0.1vvm），可根据需求调整碳循环效率。再者，系统兼容多种光生物反应器设计，如开放式光生物反应器和封闭式发酵罐，扩展了技术应用场景。目前阶段已实现实验室规模（250mL）的稳定运行，未来可望通过模块化设计扩展至吨级生产规模。

但研究也指出了技术瓶颈。例如，在连续运行条件下，异养代谢产生的二氧化碳浓度波动幅度达±18%，可能影响自养代谢的稳定性。此外，光能利用效率在夜间或光照不足时下降约40%，需开发智能调控系统以适应光照变化。物质传输的效率极限尚未明确，实验显示气体交换膜的最小孔径为0.2μm时，系统整体碳效率达到峰值，而更小孔径反而导致渗透压失衡。

从工业转化角度看，该系统需要解决三个关键问题：1）如何实现多批次连续培养而不破坏菌群代谢平衡；2）如何降低自养代谢对光强的依赖性；3）如何将代谢耦合扩展至多产物协同生产。目前研究已提出部分解决方案，如采用脉冲式补料策略维持代谢动态平衡，或通过光生物反应器设计优化光分布。研究团队正在探索添加天然光敏色素调控菌群代谢节律，以及利用纳米材料增强气体交换效率等创新方向。

该技术路线为碳中和生物制造提供了新范式。与传统生物制造相比，其碳循环效率提升超过两倍，同时产品收率增加近一倍。以年处理1000吨二氧化碳的规模计算，每年可减少碳排放约2.5万吨，相当于种植87万棵树。在价值代谢产物方面，系统使PHB的碳转化效率达到0.78g/g，类胡萝卜素达到1.2g/g，均优于现有生产技术。

值得关注的是，该系统在应对不同碳源输入时表现出显著的可塑性。当葡萄糖浓度从1mM提升至5mM时，异养代谢速率加快3倍，但自养代谢的二氧化碳固定效率下降仅12%。这种代谢可塑性为系统设计提供了重要启示：通过优化培养基组成和气体交换参数，可使系统在处理不同浓度有机碳源时保持高碳固定效率。

在环境效益方面，实验数据表明该系统可使单位产品碳足迹降低至0.32kg CO2-eq/kg product，较传统异养发酵（0.45kg）降低29.4%。若结合可再生能源驱动的光生物反应器，系统整体碳封存能力可达传统工艺的4.7倍。目前研究已获得韩国国家研究基金会（NRF）资助，计划在三年内完成中试规模（500L）的放大验证。

未来发展方向包括：1）构建多组学数据库解析代谢耦合机制；2）开发模块化反应器架构；3）整合碳捕捉与生物制造工艺。初步实验显示，若将异养代谢产生的二氧化碳进一步转化为乙醇酸，再通过光发酵系统转化为生物乙醇，整体碳封存效率可再提升40%。这种多级循环系统有望实现完全碳中和的生物制造工艺。

总之，气体联动共培养系统通过精准的代谢耦合设计，成功突破了异养与自养代谢的固有矛盾。该技术不仅为生物制造行业提供了减排新路径，更重要的是建立了"碳源-碳汇"协同作用的创新模式。随着光生物反应器技术和自适应控制系统的发展，该平台有望在十年内实现规模化应用，成为工业生物制造领域的颠覆性技术。