铁基氧化物修饰电极对电发酵系统中碳链延伸代谢物选择性的影响

为解决电发酵(EF)系统中中链脂肪酸(MCFA)产率低的问题，研究人员首次系统探究了铁基材料(IBM)修饰电极对碳链延伸(CE)过程的调控作用。结果表明FeN修饰阴极使MCFA产量提升169%，最高达4450.2 mg COD/L，并促进辛酸(C8)合成。该研究为开发高效生物电化学系统提供了新策略。

　　

在全球能源危机与环境压力加剧的背景下，利用可再生资源生产高附加值生物基化学品成为研究热点。中链脂肪酸(MCFA)作为碳原子数6-12的羧酸，在食品、医药和能源领域具有重要应用价值。传统MCFA生产依赖化石原料，而基于微生物发酵的碳链延伸(Chain Elongation, CE)技术虽具可持续性优势，却面临电子传递效率低、副产物多等瓶颈。电发酵(Electro-fermentation, EF)通过外电场调控微生物代谢，为优化MCFA合成提供了新思路，但电极材料性能仍是限制因素。

针对这一科学难题，清华大学等机构的研究团队在《Bioresource Technology》发表研究，首次系统评估了铁基材料(Iron-Based Materials, IBM)修饰电极对EF系统MCFA合成的促进作用。研究采用Fe₂O₃、Fe₃O₄和FeN修饰碳毡电极，结合电化学分析、代谢物检测和微生物组学技术，揭示了IBM通过增强电子传递和调控微生物群落提升MCFA产率的机制。

关键技术方法包括：1) 采用滴涂法构建IBM修饰电极；2) 电化学阻抗谱(EIS)分析电荷转移电阻(R_ct)；3) 高效液相色谱(HPLC)定量代谢产物；4) 16S rRNA测序解析微生物群落；5) PICRUSt2预测功能基因。实验接种物来自北京某污水处理厂二沉池污泥。

研究结果
1. 底物对己酸产量的影响
在乙醇为电子供体(ED)、乙酸为电子受体(EA)的体系中，代谢产物按丁酸→己酸→辛酸的顺序累积。FeN组展现出最强的碳链延伸能力，辛酸产量达211.7 mg COD/L，表明IBM可推动更长链MCFA合成。

2. 电极修饰对代谢产物分布的影响
IBM修饰使总MCFA产量提升15%-169%，其中FeN组表现最优(4450.2 mg COD/L)。电化学分析显示IBM使R_ct降低15%-62%，证实其促进电极活性。微生物分析发现FeN组显著富集CE功能菌(如Fermentimonas sp.)和电化学活性菌(Bacillus sp.)。

3. 代谢通路分析
IBM修饰上调了反向β氧化(Reverse β-oxidation, RBO)通路基因表达，促进乙酰辅酶A生成。FeN组中编码酰基辅酶A脱氢酶(ACAD)的基因丰度最高，这解释了其优异的链延伸能力。

结论与意义
该研究证实FeN修饰电极通过三重机制提升MCFA产量：1) 降低R_ct增强电子传递；2) 富集CE功能菌和电化学活性菌；3) 激活RBO代谢通路。特别值得注意的是，FeN触发的辛酸合成突破了传统CE产物的碳链长度限制。尽管电极长期稳定性仍需优化，但该工作为设计高效EF系统提供了理论依据，其"材料-微生物-代谢"协同调控策略对生物制造领域具有普适性参考价值。研究团队建议未来探索IBM的循环利用与规模化应用潜力。