紫光光养细菌在移动床生物电化学反应器中光电解异养生产聚羟基丁酸酯的研究

为解决传统生物膜电微生物学中传质限制问题，研究人员创新性地采用移动床阴极驱动的光微生物电化学反应器（photoME-MBR），探究紫光光养细菌（PPB）混合群落的光电解异养产聚羟基丁酸酯（PHB）性能。结果表明，阴极极化（-0.8 V vs Ag/AgCl）通过直接电子传递和电化学产氢双重机制，使PHB产率提升4倍，且优势菌群以Rhodopseudomonas和Bradyrhizobium为主。该研究为生物精炼和高附加值产物生产提供了新范式。

　　

在可持续生物制造的浪潮中，聚羟基丁酸酯（PHB）作为一种可降解生物塑料备受关注，但其生产成本高、效率低仍是瓶颈。传统紫光光养细菌（Purple Phototrophic Bacteria, PPB）的PHB生产多依赖生物膜电化学系统，存在传质限制和规模化难题。更棘手的是，现有研究集中于单一菌株的纯培养，而实际应用中混合菌群的协同机制尚不明确。如何突破生物膜束缚、利用工业废水实现高效PHB生产，成为领域内亟待破解的命题。

针对这一挑战，来自西班牙的研究团队在《Bioelectrochemistry》发表了一项创新研究。他们设计了一种光微生物电化学移动床反应器（photoME-MBR），以啤酒废水富集的PPB混合群落为对象，首次实现了移动床阴极驱动下的光电解异养PHB生产。通过比较电极自由组、开路电位组和-0.8 V极化组的性能，发现阴极极化可使PHB含量提升至生物量的60%，产率较非极化组提高4倍。微生物群落分析揭示了Rhodopseudomonas和Bradyrhizobium的核心作用，辅以Geosporobacter等电活性菌的协同。这项研究不仅证实了移动电极对 planktonic（浮游）微生物代谢的调控潜力，更为生物精炼提供了可规模化的技术路径。

关键技术包括：1）构建photoME-MBR反应器系统，采用碳毡移动床电极；2）以啤酒废水富集的PPB混合群落为接种体；3）设置-0.8 V（vs Ag/AgCl）阴极极化条件；4）通过气相色谱定量PHB；5）16S rRNA测序解析微生物群落结构。

Results and discussion
在碳源过剩、氮源受限条件下，极化组（ME-MBR_-0.8V）表现出显著的PHB积累优势。移动电极通过双重机制发挥作用：一方面，导电床直接向微生物提供电子；另一方面，电极附近电化学产氢（H₂）作为间接电子载体。这种协同效应使PHB产率达到0.42 g/L·d，远超开路电位组的0.1 g/L·d。值得注意的是，优势菌Rhodopseudomonas可能通过Pio_abc操纵子（编码外膜孔蛋白、多血红素细胞色素等）介导电子摄取，而Bradyrhizobium则可能参与碳源代谢重构。

Conclusions
该研究开创性地将移动床电极概念引入PPB的PHB生产，证实阴极极化可显著提升光电解异养性能。其科学价值在于：1）突破生物膜限制，建立planktonic微生物-电极互作新模型；2）阐明混合群落中DIET（直接种间电子传递）与CIET（导电颗粒介导电子传递）的协同机制；3）为工业废水资源化提供技术原型。正如通讯作者Abraham Esteve-Nú?ez强调的，这种"流体电极"策略可扩展至其他高附加值产物生产，标志着生物电化学系统从污染治理向生物制造的范式转变。