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该综述聚焦微生物电合成（MES）与合成生物学的融合，探讨其利用废弃原料和捕获碳生产高价值化学品的进展，分析工程微生物电活性、应用案例，指出规模化挑战，为可持续生物生产和碳中性目标提供思路。
微生物电合成（MES）融合电化学与生物学，借助电活性微生物（EAMs）的胞外电子传递（EET）能力，将废弃原料转化为高价值化学品与燃料。合成生物学的发展提升了微生物的胞外电子传递效率与代谢途径效能，优化了氧化还原平衡，拓展了底物多样性，增强了生物生产能力。
工程微生物以增强电活性促进生物生产
电活性微生物通过直接电子传递（DET）和间接电子传递（IET）两种主要机制进行胞外电子传递。DET 借助导电菌毛、纳米线和孔蛋白 - 细胞色素复合物等结构实现电子直接流动，如硫还原地杆菌和希瓦氏菌。IET 则利用氧化还原活性小分子（如 H?、黄素、吩嗪）作为电子穿梭体，光合电活性微生物中 IET 还可与原生光系统结合。
天然电活性微生物可通过工程化改造进一步提升 EET 效率，例如在希瓦氏菌中筛选并表达外源吩嗪 - 1 - 羧酸（PCA）生物合成途径基因，优化 PCA 转运以增强 EET 和乳酸利用。非电活性微生物也可通过引入 EET 机制获得电子摄取能力，如大肠杆菌引入希瓦氏菌的完整电子转移系统，蓝藻通过删除原生光系统 II（PSII）实现外源电子摄取以促进 CO?同化，恶臭假单胞菌引入吩嗪生物合成途径基因以产氧化还原活性吩嗪促进 IET。
微生物电合成在利用废弃原料增强化学品生产中的应用
利用 MES 从废弃有机底物改进生物生产
MES 能够优化工程微生物的生化生产，包括利用废弃有机底物。天然电活性微生物经合成代谢途径工程化改造后，可利用其天然 DET 机制改进生化生产。例如，希瓦氏菌经代谢途径工程化改造后，可从乳酸生产异丁醇，还可从甘油生产（R） - 乙酰乙酸。大肠杆菌表达希瓦氏菌中参与 DET 的蛋白质和短链支链醇生物合成酶，可在 MES 辅助下利用甘油生产异丁醇和 3 - 甲基丁醇。
除 DET 外，IET 也可通过 MES 改进生化生产。合成电子介质（如中性红（NR）和 2 - 羟基 - 1,4 - 萘醌（HNQ））可在 MES 期间添加以促进 IET 和提高 EET 效率。例如，解脂耶氏酵母经工程化改造后利用乙酸生产脂肪醇，NR 促进的 MES 提高了 NAD（P）H 水平，推动了乙酸利用和脂肪醇生产。大肠杆菌利用甘油生产 1,3 - 丙二醇和 3 - 羟基丙酸时，NR 和 HNQ 可增强 EET，提高甘油同化和产物产量，并可通过调节电位调整产物特异性。
通过 MES 增强碳捕获以生产化学品
全球变暖背景下，利用工程微生物将 CO?转化为有价值产品的碳捕获与利用备受关注。在 MES 系统中，施加电位可使工程化萜类途径的食酸铜绿假单胞菌利用原位生成的 H?和 H?介导 IET，再生还原当量，促进 CO?同化为萜类（如番茄红素和 α - 腐殖烯）。
不产氧光养微生物（如沼泽红假单胞菌和 PSII 缺失的蓝藻）可将 EET 与 PSI 驱动的电子传递途径结合以提高 CO?固定率，EET 为光合电子传递链提供外源电子，PSII 缺失可防止 O?生成，减少与 CO?固定的竞争反应。这些光合 MES 系统与代谢工程（如删除耗电子途径、过表达 RuBisCO）结合，可生产正丁醇、氨基酸和聚羟基脂肪酸酯等。
基于各种 EET 机制、光激活质子泵和 CO?固定的基础知识，合成生物学近期在食酸铜绿假单胞菌中开发了一种组合工程方法来构建人工光合系统，以将 CO?导向生物量。表达希瓦氏菌的 MtrCAB 电子传导蛋白以实现 DET 和黄素介导的 IET，同时蓝藻视紫红质作为光驱动质子泵产生质子动力，驱动产生 ATP、NADH 和 NADPH，用于天然 CBB 循环固定 CO?，形成能够将 CO?同化为中心代谢的合成光电化学微生物系统。
挑战与未来方向
尽管合成生物学已扩展并改进了 MES 在更广泛废弃原料和更复杂分子生产中的应用，但产量和体积生产力仍远低于商业可行阈值。MES 面临的关键障碍包括优化 EET 效率和将其应用扩展到更多非电活性微生物，目前 MES 主要在少数原核生物中实施，部分电活性微生物因缺乏基因工程工具而应用受限，合成生物学在开发具有更复杂功能的多样化微生物宿主方面具有潜力。
MES 驱动的废物增值的另一个关键挑战是优化底物利用，非生物 - 生物混合系统在促进废物底物利用方面显示出潜力，微生物群落的应用也在增加，未来需通过合成生物学方法优化电活性和非电活性物种之间的合作相互作用。
除微生物工程外，将 MES 系统扩展到工业应用需要生物过程开发，如生物膜形成、反应器设置和电极设计。稳定的微生物生物膜在电极表面的形成对持续的电子传递和高效的生物生产至关重要，未来可探索合成生物学方法经济地调节生物膜形成。贵金属电极成本较高，废物衍生的生物阴极（如用过的咖啡渣和茶叶）有降低成本的潜力。MES 期间阳极电解产生的氧气会影响阴极反应和厌氧电活性微生物的生存能力，未来开发可持续资源电极、优化微生物在其表面形成生物膜的能力以及设计最佳 MES 反应器设置对 MES 系统的经济规模化至关重要。
总之，MES 利用电活性微生物的独特能力，融合合成生物学和电化学的进步，是可持续化学生产和碳捕获的变革性方法，通过跨学科合作和技术创新，MES 有望为 21 世纪紧迫的环境和能源挑战提供可行的解决方案。
