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本综述聚焦合成气发酵领域，指出中温羧基营养菌（如产乙酸菌）已实现商业化应用，而嗜热羧基营养菌因生长速率快、抗污染能力强等优势，在提升发酵效率与可持续性方面潜力巨大。文中分析其代谢类型、现存挑战及基因工程等优化策略，为工业应用提供方向。
合成气（主要含 CO、H?、CO?）发酵是生产燃料和化学品的可持续途径，其可通过气化生物质等获得。中温羧基营养菌（能利用 CO 的微生物）已获关注和商业成功，但嗜热羧基营养菌因具更高生长速率、更强污染物耐受性和鲁棒性等优势，在提升合成气发酵的效率、生产力和可持续性方面有潜力，不过其开发利用尚有限。
嗜热合成气发酵：循环生物经济的新视野
全球向可持续生产转型及减少温室气体排放的迫切需求，使合成气发酵成为生产燃料和化工基础原料的有前景工艺。合成气中的 CO 是羧基营养微生物（以 CO 为能源和碳源的微生物）的理想生长底物，且这类微生物对合成气杂质（如硫化物）的抗性通常比金属催化剂强，受合成气组成波动（CO/H?比率）的影响也较小。
过去二十年，中温厌氧羧基营养菌对富含 CO 的烟道气的发酵已从实验室规模扩大到实际应用，如 Lanzatech 公司成功利用产乙酸微生物将钢厂烟道气转化为乙醇，目前相关投资正转向利用生物质和废弃物产生的合成气。大量研究致力于气体发酵微生物的基因工程，以提高合成气发酵效率并拓宽微生物可生成的产品范围。然而，在进一步发展合成气发酵的过程中，嗜热羧基营养菌这一未被充分探索的微生物群体值得关注，它们相比中温菌具有更高的生长速率、在恶劣条件下的鲁棒性和独特的代谢能力。在高温下运行发酵系统可降低合成气和反应器冷却成本，同时降低微生物污染风险并提高发酵介质内的气体扩散速率。
嗜热微生物作为合成气转化的生物催化剂
气化通常会产生高温合成气（650°C–1400°C），使用嗜热气体发酵的一个直接好处是减少了合成气和发酵系统的冷却需求。高温还便于通过生物反应蒸馏（也称为自蒸馏）原位回收低沸点产品，如乙醇（沸点 78.4°C）或丙酮（沸点 56.5°C），这不仅降低了下游处理成本，还可防止发酵产物在反应器内积累，最大限度减少过程中微生物受产物抑制的风险，并可能提高产品产量。嗜热合成气发酵的一个潜在缺点是高温下气体溶解度降低，这可能限制气液传质，进而降低整体工艺效率。为缓解这种影响，适当的反应器设计和操作策略（如增加气体压力、加强混合或微泡分散）对于在嗜热条件下维持高效气体传输至关重要。
大多数已知的羧基营养嗜热菌是从陆地温泉或深海热液场分离出来的，因此，除了偏好高温外，这些微生物通常还表现出对各种恶劣环境条件的适应能力，包括极端 pH 值、高硫化物浓度和高压。这些特性使羧基营养嗜热菌对合成气发酵技术具有吸引力。例如，高压气体发酵可用于增加气液传质（底物可用性）， potentially leading to improved microbial growth on CO。此外，硫化物是合成气中的常见杂质，根据气化原料的不同，其在合成气中的比例可高达 3.5%（v/v）。在化学催化中，硫化物的存在需要上游去除，因为其对大多数金属催化剂有毒性，这一过程通常成本较高。微生物表现出的高硫化物耐受性是合成气发酵的一大优势，使其优于化学催化剂。最后，嗜热发酵的一个非常重要的优点是高温下微生物污染的风险降低，这是一个常见的工业挑战，可能导致产量下降甚至工厂停产。
羧基营养嗜热菌的代谢
厌氧羧基营养菌通过一氧化碳脱氢酶（CODH）利用 CO，厌氧 CODH 含有镍和铁作为辅助因子（[Ni-Fe] CODH），这使其区别于含有钼和铜的需氧 CODH（[Mo-Cu] CODH）。[Ni-Fe] CODH 可以是单功能或双功能的，单功能 CODH 催化 CO 可逆氧化为 CO?，双功能 CODH 与乙酰辅酶 A（CoA）合成酶（ACS）形成紧密复合物，催化通过 CO、甲基和 CoA 的缩合合成乙酰 - CoA。CODH-ACS 是厌氧产乙酸细菌或产甲烷古菌用于 CO?固定的伍德 - Ljungdahl 途径（WLP）的关键酶。羧基营养嗜热菌可分为三种主要的发酵代谢类型：氢生成、乙酸生成和甲烷生成。
氢生成菌是效率最高的羧基营养嗜热菌，在 CO 上生长时代谢速率非常快，其倍增时间通常较短（1–2 小时）。此外，它们是迄今为止最常分离到的利用 CO 的嗜热菌。氢生成菌的普遍存在可能有两个原因：一是由于其能够耐受高浓度 CO（在实验条件下可达 100% CO），被认为在热液环境中作为 CO “清除剂” 具有重要的生态作用，推测它们通过将 CO 水平降低到毒性以下，为对 CO 敏感的微生物提供生长条件，同时为依赖 H?的微生物过程提供燃料；二是 CO 驱动的氢生成可能在高温下更受青睐，气体扩散随温度升高而增加，有助于 H?的去除并防止热力学上不利的积累。尽管在较高温度下 CO 溶解度下降，但 CODH 活性仍然有效，这表明在这些条件下羧基营养代谢不受 CO 溶解度的显著影响。尽管氢生成羧基营养菌有若干生理相似性，但它们在系统发育上是多样的，目前由两个古菌属和几个细菌属代表，这种差异表明氢生成 CO 氧化在自然界中通过频繁的水平基因转移传播。
在利用 CO 的氢生成古菌中，Onnurineus 热球菌是唯一具有遗传可操作性的超嗜热菌，为该微生物开发的遗传系统已用于在其 [Ni-Fe]-CODH/Ech 基因簇中引入强启动子，并用于上调 CO 响应调节系统（CorQR）的表达。在这两种情况下，工程菌株与原始菌株相比，细胞密度增加，CO 消耗和 H?产生速率显著提高（高达 5.8 倍）。除了其 CO 转化能力外，Onnurineus 热球菌还能够将甲酸转化为氢气，这一特性结合其遗传可操作性，使其在工业生物制氢方面的潜力得到了广泛研究，并进行了多次优化其产量的尝试。
在嗜热氢生成细菌中，羧基热营养菌和嗜热羧基菌被认为是专性羧基营养菌，这两种物种都可以在高浓度 CO（100% v/v）下生长，并且在世界各地不同热液环境的样本中普遍检测到。氢生成羧基热菌是研究最多的嗜热氢生成羧基营养菌，在该底物上表现出卓越的生长能力，这一特性归因于其基因组中编码了五种不同的 CODH 拷贝，因此，其在合成气升级为 H?的潜在应用也得到了广泛研究。
产乙酸菌因其能够通过 CO 发酵产生多种碳基产品（包括醇类（如乙醇、丁醇）和不同脂肪酸（如丁酸））而引人注目，此外，一些产乙酸菌可以同时利用 CO 和 H?/CO?，从而能够完全利用合成气。摩氏菌属是研究最多的嗜热产乙酸菌群体之一，该属目前有八个已验证的物种，所有物种都有公开的基因组。热醋摩氏菌（最初被描述为热醋梭菌）是研究最充分的，也是历史上最重要的产乙酸菌，因为它已作为解析 WLP 的模式生物。尽管直到 1983 年才证明热醋摩氏菌可以在 H?/CO?上生长，但 1978 年的一项研究已经表明该细菌的细胞提取物可以氧化 CO。从那时起，已经分离出几种能够在 CO、H?/CO?或合成气上生长的摩氏菌菌株，乙酸通常是摩氏菌属物种产生的主要天然代谢物，尽管有些物种在 CO 上生长时会产生 H?（如 stamsii 摩氏菌、caeni 摩氏菌）。据报道，HUC22-1 摩氏菌菌株在 H?/CO?上生长时可产生乙醇，但产量较低，最高滴度为 6.9 mM，然而，该菌株在公共菌株收藏中不可用，其在 CO 或合成气上生长的能力从未被报道过。类似地，一些热醋摩氏菌菌株已被报道可产生乙醇，但报道的产量较低，在工业上不相关。
另一种研究充分的嗜热产乙酸菌是 kivui 热厌氧杆菌，最初被描述为不能利用 CO，但后来被驯化到可以在高达 100% CO 或合成气（CO:H?:CO? 30%:50%:14% v/v）上生长，主要产生乙酸。此外，通过向培养基中添加碳酸氢盐并结合由 H?/CO?组成的气相，kivui 热厌氧杆菌的静止细胞已被优化为仅从合成气发酵产生甲酸，碳酸氢盐作为 kivui 热厌氧杆菌 ATP 合酶的抑制剂，因此，甲酸不能进一步转化为乙酸，导致甲酸滴度高达 130 mM。
已知唯一能够在 CO 上进行产乙酸生长的超嗜热古菌是激烈火球菌，尽管该古菌具有古菌类型的 WLP（在产甲烷菌中发现），但它不具有编码甲基辅酶 M 还原酶（甲烷代谢中的核心酶）的候选基因，因此缺乏产生甲烷的潜力。相反，如果不提供外部电子受体，该微生物的 CO 固定仅导致乙酸产生。
产甲烷菌可以利用有限数量的能源进行甲烷生产（包括 H?，氢营养型产甲烷；乙酸，乙酸营养型产甲烷；甲基化化合物，甲基营养型产甲烷）。以 CO 为电子供体的产甲烷作用比上述底物慢得多，在某些情况下，代谢会转向产生其他化合物，如 H?、乙酸或甲酸而不是甲烷。CO 对产甲烷菌来说是如此具有挑战性的底物的原因尚未完全阐明，但很可能与 CO 对关键酶（如氢化酶）的毒性以及在 CO 上生长期间过量还原当量的形成导致细胞氧化还原状态失衡有关。
已知很少有产甲烷菌将 CO 作为唯一的能源和碳源，只有两种是嗜热的：热自养甲烷杆菌和马尔堡甲烷杆菌。热自养甲烷杆菌是第一个被报道在 CO 上生长的产甲烷菌，尽管早在 1931 年就已经观察到厌氧污泥从 CO 产生甲烷，热自养甲烷杆菌在 CO 上的倍增时间超过 200 小时，比其在 H?/CO?上的生长慢 100 倍，此外，当暴露于高于 50 kPa 的 CO 压力时，其生长完全受到抑制。马尔堡甲烷杆菌也观察到同样缓慢的代谢，尽管它可以在大约 120 小时内适应在 34 kPa 的 CO 上生长。在这两种菌株中，CO 消耗伴随着 H?产生，然后 H?与 CO 一起用于甲烷生产。在马尔堡甲烷杆菌的情况下，只有在 H?积累后才开始在 CO 上生长，这表明启动羧基营养代谢需要一定量的 H?。
与甲烷杆菌属物种不同，中温乙酸营养型产甲烷菌 —— 食乙酸甲烷八叠球菌具有更有效的 CO 代谢，以 CO 为底物时，其倍增时间约为 20 小时，并且可以承受更高的 CO 压力（>150 kPa），这可能是因为食乙酸甲烷八叠球菌可以将还原当量重新分配到其他反应中，如乙酸或甲酸的生产。事实上，当这种微生物在 CO 上生长时，甲烷并不是主要产品。食乙酸甲烷八叠球菌还通过靶向破坏其产甲烷途径，然后进行适应性进化，被工程化为仅从 CO 产生乙酸，这凸显了产甲烷菌的代谢灵活性，这可能目前未被充分认识。另一种嗜热甲烷八叠球菌菌株 —— 嗜热甲烷八叠球菌也可能能够在 CO 上生长，早期涉及该菌株洗涤细胞和细胞提取物的研究表明，暴露于 CO 时具有氢生成活性，然而，没有进行进一步的测试来检验嗜热甲烷八叠球菌细胞以 CO 作为唯一能源生长的能力。
当前嗜热羧基营养菌的局限性和未来前景
尽管利用 CO 的嗜热菌与中温菌相比有几个优点，但它们在合成气发酵中的实际应用受到两个主要原因的阻碍：一是它们从 CO 产生的化合物范围狭窄，虽然中温菌可以从 CO 或合成气产生多种化合物，如乙醇、丁醇、丁酸、2,3 - 丁二醇、乳酸和聚羟基烷酸酯，但目前嗜热 CO 发酵的主要产品是 H?、甲烷和乙酸，尽管嗜热产乙酸菌（如摩氏菌属物种）具有产生其他化合物（如乙醇）的基因组能力，但在迄今为止测试的实验条件下，实际乙醇生产受到限制；二是分离的菌株数量有限，仅代表自然界中具有 CO 转化基因组潜力的多样化微生物的一小部分。为了充分利用嗜热菌在合成气发酵中的优势并将其整合到工业过程中，必须投入大量精力来增加分离菌株的代表性并扩大这些微生物产生的产品范围。
有几种策略可以用来解决与嗜热菌相关的局限性并改善嗜热合成气发酵的产品范围：一是致力于分离和表征新型嗜热羧基营养微生物，通过增加可用于合成气发酵的微生物物种数量，有可能利用更广泛的代谢途径，潜在地产生新的生化产品；二是基因工程，它有可能将微生物的产品范围扩大到几乎任何所需的化合物；三是采用共培养，允许利用合成气混合物中的各种底物，从而产生更广泛的有价值的化合物。总体而言，可能需要整合这些策略来推进嗜热合成气发酵在各种工业应用中的发展。
释放自然潜力：分离新型利用 CO 的嗜热菌
宏基因组学时代揭示了巨大的未开发微生物多样性，包括羧基营养微生物。CODH 和 WLP 中涉及的其他关键基因存在于许多未培养的微生物谱系的基因组中（如在热液环境中发现的）。此外，使用 13CO DNA 稳定同位素探测、16S rRNA 基因扩增子测序或针对环境样品中 [Ni-Fe] CODH-Ech 簇的特异性引物的研究表明，嗜热羧基营养微生物广泛存在于陆地和海洋热液环境中。
然而，尽管存在这种多样性，但仅分离出少数能够利用 CO 的新型嗜热菌，此外，大多数嗜热分离株属于先前表征的羧基营养门，并且主要从 CO 发酵产生 H?，这表明分离方法存在偏差。通常，针对羧基营养微生物培养的研究依赖于以 CO 作为唯一碳源培养的富集培养物，由于高浓度 CO 对绝大多数微生物（包括许多羧基营养菌）有毒性，这些富集培养物被耐高浓度 CO 的微生物所主导，这些微生物在这种条件下具有竞争优势。尽管这种方法成功地筛选出了羧基营养菌，但它偏向于快速生长的羧基营养嗜热菌，通常是氢生成菌。嗜热产乙酸菌的 CO 转化速率低于氢生成菌，容易被竞争淘汰，此外，一些产乙酸微生物可能具有在 CO 上生长的潜力，但需要很长的培养时间或通过增加 CO 浓度进行缓慢适应。
存在几种替代的、可能更成功的分离策略，例如使用固体生长培养基直接从环境样品中分离，通过提供 CO 作为主要碳源并允许较长的培养时间，使用这种方法更有可能回收利用 CO 的产乙酸菌株，而不仅仅是氢生成菌株。此外，大多数产乙酸菌表现出广泛的底物利用范围，包括糖和碳水化合物，因此，初始培养方法可以在不同的底物（如香草醛）上进行，然后使分离株适应在 CO 上生长。对于这种方法，宏基因组分析和环境样品中的宏基因组组装基因组（MAGs）或单扩增基因组的分箱可以极大地辅助培养工作，可以根据单功能 CODH 或 WLP 的存在筛选具有羧基营养潜力的 MAGs，并可以根据这些微生物的营养需求（如维生素或氨基酸生物合成潜力）设计更有针对性的分离方案。
培养基成分的优化是一种重要的策略，不仅用于分离新型微生物类群，还用于改变微生物发酵的产品范围。微量元素（如铁、钨、锌和硒）是 WLP 中涉及的几种酶以及醇脱氢酶、醛氧化还原酶和电子载体的辅助因子，因此，它们在培养基中的可用性对于合成气发酵过程中实现最佳酶活性至关重要，并且对几种产乙酸菌中有利于乙醇而非乙酸的生产有显著影响。
基因工程提供的优化机会
羧基营养微生物的基因工程在充分挖掘其潜力和扩大其产品范围方面具有巨大潜力。近年来，大量努力已投入到工程化中温羧基营养产乙酸菌，如 Ljungdahlii 梭菌、autoethanogenum 梭菌、woodii 乙酸杆菌和 limosum 真杆菌，这导致了气体发酵的许多重组产品，如丙酮、异丙醇或乙酸乙酯。嗜热菌的工程仍处于早期阶段，目前，大多数努力都集中在两种产乙酸细菌：kivui 热厌氧杆菌和热醋摩氏菌。
kivui 热厌氧杆菌因其天然感受态（即从环境中摄取外源 DNA 的能力）而成为基因工程的有趣目标，这允许相当有效的基因操作，无需开发劳动密集型的转化程序。基于非复制载体和 pyrE（乳清酸磷酸核糖基转移酶）作为选择标记，为该细菌设计了一个遗传工具包，最近，该工具包通过荧光报告系统以及包括优化复制起点和一组新的同源和异源启动子的模块化克隆系统得到了扩展。尽管
