生物质葡萄糖与木糖协同利用促进微生物电合成碳链延伸机制研究

微生物电合成(MES)技术面临CO2 难以高效转化为高附加值产物的挑战。南京工业大学团队创新性地利用生物质水解获得的葡萄糖和木糖作为混合碳源，显著提升了MES系统中丁酸(3.4 g/L)和己酸(0.34 g/L)的产量。通过宏基因组和冗余分析揭示，该策略通过激活脂肪酸合成(FAB)途径和富集梭菌属(Clostridium )，突破了传统Wood-Ljungdahl(WL)途径的限制，为生物质与CO2 共转化提供了经济环保的新方案。

　　

全球气候变化背景下，二氧化碳(CO₂
)过量排放引发的环境危机日益严峻。微生物电合成(Microbial Electrosynthesis, MES)作为一种新兴的碳中和技术，能够利用电能将CO₂
转化为化学品。然而，该技术存在关键瓶颈：通过Wood-Ljungdahl(WL)途径主要生成低价值的乙酸(0.68美元/kg)，而高附加值的丁酸(>3.5美元/kg)和己酸(1.6美元/kg)产量普遍低于0.1 g/L。这主要由于乙酰-CoA缩合步骤存在热力学障碍，导致碳链难以延伸。

南京工业大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向富含葡萄糖和木糖的生物质资源。通过系统比较不同接种源(厌氧污泥vs太湖底泥)和碳源策略(单一糖vs混合糖)的效果，发现当以底泥为接种源并协同添加葡萄糖和木糖时，MES系统可产生3.4 g/L丁酸和0.34 g/L己酸，创下同类研究的产量新高。

研究采用多组学联用技术揭示机制：通过冗余分析和Mantel检验证实，次级代谢物合成与碳固定途径的活跃程度与梭菌属丰度呈正相关；宏基因组分析显示脂肪酸生物合成(FAB)途径基因丰度显著高于WL途径和反向β氧化(RBO)。更引人注目的是，团队成功将酸处理-阳极电氧化获得的秸秆水解液(含葡萄糖和木糖)应用于MES，验证了该技术的工业化可行性。

关键实验方法
研究采用双室MES反应器，分别以厌氧污泥和太湖底泥为接种源，设置对照组(无糖)、单糖组(葡萄糖或木糖)和混合糖组。通过高效液相色谱监测产物，结合电化学工作站记录电流变化。采用16S rRNA测序分析菌群结构，宏基因组解析代谢通路，并通过冗余分析和Mantel检验建立环境因子-微生物-产物的关联模型。

Effect of glucose or xylose periodic addition on product spectrum in MES
以厌氧污泥为接种源时，周期性添加葡萄糖或木糖均能促进乙酸(C2)向丁酸(C4)的转化。电流强度和OD₆₀₀
值显著高于对照组，表明糖类添加促进了微生物生长。值得注意的是，混合糖组的电子回收率比单糖组提高12-15%，暗示协同效应。

Conclusions
研究证实混合营养策略通过三重机制促进碳链延伸：(1)糖类代谢提供额外ATP平衡NADH/NAD⁺
比例；(2)富集的梭菌属激活FAB途径；(3)电极与生物质碳源形成互补电子传递网络。该工作不仅为MES产品增值化提供新思路，更开创了生物质与CO₂
共转化的"一石二鸟"策略，兼具碳减排和资源化双重效益。

论文的创新性体现在三个方面：首次系统比较不同接种源对混合糖利用的影响；阐明FAB途径在碳链延伸中的主导作用；开发出适用于实际生物质原料的预处理-电合成联用工艺。这些发现为《Journal of Environmental Chemical Engineering》关注的绿色化工领域提供了重要理论支撑和技术储备。