聚乙醇酸-海藻酸钠水凝胶固定化集胞藻PCC 6803实现可持续异丁烯高效生产

本研究针对光合微生物异丁烯产量低、培养稳定性差等问题，通过优化光照/氮源条件并结合PVA-SA水凝胶固定化技术，使工程化集胞藻Syn-RnKICD和Syn-F336V菌株的异丁烯产量提升60-80%，持续产能达744小时，最高产率达1 mg/g DW/h，为可再生化学品生产提供了新型生物催化平台。

　　

随着全球对化石燃料依赖的持续加剧，开发基于光合微生物的可持续化学生产技术成为研究热点。异丁烯(C₄H₈)作为重要的石化中间体，广泛应用于燃料和高分子材料合成，但目前主要依赖不可再生资源生产。尽管蓝藻等微生物可通过光合作用将CO₂转化为异丁烯，但现有系统存在产量低（最高仅0.45 mg L^-1 h^-1）、培养周期短等瓶颈，距离工业化要求的2-4 g L^-1 h^-1差距显著。

瑞典研究团队通过改造集胞藻(Synechocystis sp. PCC 6803)的代谢途径，构建了表达大鼠源α-酮异己酸双加氧酶(RnKICD)的Syn-RnKICD菌株及其突变体Syn-F336V（第336位苯丙氨酸突变为缬氨酸）。研究人员采用多维度优化策略：首先通过调节光照强度（35-135 μmol photons m^-2 s^-1）和无机碳源浓度确立最佳培养条件；随后发现氮限制可提升产量至120 μg L^-1 OD_{750^-1但伴随生长抑制；最终开发出硼酸盐交联的PVA-SA复合水凝胶固定化系统，通过调控交联时间、pH和细胞/水凝胶比例，成功克服传统Ca²⁺-藻酸盐体系在HCO3^-环境中的不稳定性问题。}

关键技术包括：1）工程菌株的光自养培养优化；2）动态监测异丁烯产量的气相色谱系统；3）硼酸根(B(OH)₄^-)与Ca²⁺双交联的PVA-SA水凝胶制备；4）细胞活性与产物合成的长期跟踪分析。

【研究结果】

1. 光强与无机碳优化：在85 μmol photons m^-2 s^-1中等光强和5 mM NaHCO₃条件下，Syn-RnKICD产量达峰值，过高光强引发光抑制。

2. 氮限制效应：硝酸盐浓度降至1.76 mM时，碳流向从生物量转向异丁烯合成，但长期缺乏氮源导致代谢活性下降。

3. 水凝胶固定化突破：优化后的PVA-SA系统（交联pH 7.0，细胞:水凝胶=1:3）使Syn-F336V在744小时时累计产量达94 mg/g DW，较悬浮培养提高80%，并维持1 mg/g DW/h的最高产率达264小时。

【结论与意义】
该研究首次证实PVA基水凝胶在蓝藻固碳系统中的独特优势：1）可逆的硼酸酯键赋予材料动态适应性；2）双重交联网络抵抗HCO₃^-侵蚀；3）三维限域空间优化细胞微环境。通过整合代谢工程与材料科学，不仅将异丁烯产量提升近10倍（较Mustila等2021年数据），更建立了可推广的"细胞工厂-环境调控-固定化工艺"协同优化框架。这种免提纯的连续生产模式，为光驱生物制造提供了新范式，对实现《巴黎协定》碳减排目标具有重要实践价值。论文成果发表于《Bioresource Technology》，为后续开发更高效的光合细胞固定化系统奠定了方法学基础。