葡萄酒工业副产物中大肠杆菌产氢的氧化还原调控机制及其生物电化学应用

这篇综述深入探讨了利用葡萄酒工业副产物（WGW）作为廉价培养基，通过调控初始氧化还原电位（ORP）和pH值优化大肠杆菌（Escherichia coli）BW25113及其突变株的产氢（H2 ）效率。研究揭示了还原剂DL-二硫苏糖醇（DTT）通过降低ORP促进H2 早期合成，而缓冲剂K2 HPO4 可缓解酸化并延长产氢周期。突变株（缺失hyaB/hybC等基因）在生物电化学系统中表现出更高的电压输出（0.7 V），为废弃物资源化和生物催化剂开发提供了新策略。

　　

引言

分子氢（H₂
）作为清洁能源备受关注，其生物制备途径中，利用工业废弃物如葡萄酒葡萄渣（WGW）作为底物具有经济和环保双重价值。WGW富含纤维素（25–38%）、半纤维素（14–35%）和酚类化合物（12%），但传统处理方式易造成环境污染。本研究以大肠杆菌BW25113为模型，通过基因工程和氧化还原调控，探索其在WGW水解物中的产氢潜力及生物电化学应用。

材料与方法

菌株与培养条件：实验采用野生型BW25113和七重突变株（缺失hyaB、hybC等基因），在pH 7.5的WGW水解物（40 g L^?1
）中厌氧培养。预处理通过硫酸（0.4% v/v）和121°C高压灭菌完成，水解物稀释后以K₂
HPO₄
调节pH。

氧化还原调控：添加3 mM DTT（还原剂）或1 mM K₃
[Fe(CN)₆
]（氧化剂）调控ORP，使用铂（Pt）和钛硅（Ti-Si）电极监测电位变化。H₂
产量通过气相色谱（TCD检测器）和电化学系统（HFCV）测定。

结果

培养基优化：两倍稀释的WGW（10 g L^?1
碳水化合物，1.4 g L^?1
氮）配合K₂
HPO₄
缓冲，使生物量（OD₆₀₀
）达1.5，H₂
产量提升至5.10±0.02 mmol/L（野生型）和5.3±0.02 mmol/L（突变株）。DTT将ORP降至?250 mV，促使H₂
在指数期早期生成，而K-ferricyanide（+250 mV）抑制产氢。

代谢分析：突变株因缺失H₂
氧化酶（Hyd-1/Hyd-2）和乳酸脱氢酶（ldhA），碳流更多转向甲酸（formate）途径，H₂
产率提高25%。总氮在72小时内耗尽，与生物量增长呈负相关。

电化学性能：突变株在DTT条件下产生的细胞作为阳极催化剂，输出电压达0.7 V，显著高于野生型（0.45 V）。甲基蓝实验证实其H₂
氧化活性增强，暗示Hyd-3/Hyd-4可能参与电子传递。

讨论

WGW的C/N比（10:1）和缓冲能力是高效产氢的关键。DTT通过维持还原环境促进FHL（甲酸氢裂解酶）活性，而突变株的基因改造进一步阻断竞争途径。生物电化学系统中，缺失Hyd-1/Hyd-2的菌株表现出更优的电流输出，为微生物燃料电池（MFC）设计提供了新思路。未来需解析FHL在氧化模式下的电子传递机制，以优化能源转化效率。

结论

该研究证实WGW可作为低成本产氢基质，通过ORP和pH调控结合基因改造，显著提升大肠杆菌的H₂
产量和电化学活性，为生物能源和废弃物增值提供了可行方案。