降低氧应激与提升氢供给协同强化产乙酸梭菌（Clostridium ljungdahlii）的微生物电合成效能

本综述系统探讨了微生物电合成（MES）技术在CO2生物转化中的关键瓶颈与突破路径，重点围绕严格厌氧模式菌株Clostridium ljungdahlii，提出通过降低阳极室氧（O22）空间分布两大策略，显著提升了乙酸产量与合成速率，为电驱动生物制造提供了可放大化工程范例。

　　

微生物电合成（Microbial Electrosynthesis, MES）作为一种将电能与微生物催化相结合的新型碳固定技术，近年来在CO₂资源化利用与绿色生物制造领域展现出巨大潜力。该技术尤其依赖厌氧乙酰原微生物，例如本文研究的模式菌株Clostridium ljungdahlii，其通过Wood–Ljungdahl途径将CO₂还原为乙酸等高附加值化学品。然而，MES在实际应用中仍面临两大核心挑战：一是阳极水氧化产生的氧气（O₂）跨膜渗透引发的氧化应激，严重抑制严格厌氧菌的存活与代谢活性；二是阴极析出的氢气（H₂）分布不均导致电子传递效率低下，限制了产物合成速率与最终浓度。

为系统研究上述问题，本研究构建了一套具备高过程控制能力的1升电化学生物反应器平台，集成多种电极材料与操作策略，从工程与生物学两个维度协同优化MES性能。在控制氧应激方面，研究团队比较了三种阳极配置：常规析氧阳极（OER anode）、氮气（N₂）吹扫析氧阳极以及采用活性碳毡的牺牲阳极（sacrificial anode）。结果表明，未处理的OER阳极组因O₂渗漏导致阴极室溶解氧积累，显著抑制菌体生长与乙酸合成，乙酸浓度仅为1.49–1.82 g?L^?1，库仑效率（CE）低至54.8–66.1%。相比之下，采用N₂吹扫或牺牲阳极可有效移除或避免O₂生成，使乙酸产量提升至2.29–2.38 g?L^?1，CE提高至82.0–86.0%。透射电镜（TEM）细胞形态分析进一步证实，氧气应激导致细胞结构破损、完整性下降，而优化组细胞形态完整、活性更高。

在提升氢气可利用性方面，研究对比了传统碳棒阴极与新型三维织构碳纤维织物阴极的性能差异。在低电流（?5 mA和?20 mA）下，两者性能相当；然而当电流逐步提升至?40 mA、?60 mA乃至?80 mA时，碳纤维织物因其高比表面积（166.7 cm2?L^?1）和优越的H₂分布能力，显著提高了H₂在液相中的传质效率，避免了局部H₂过饱和导致的无效逸出。结果明确显示，在高电流条件下，碳纤维阴极反应器的乙酸产量达到9.28±2.10 g?L^?1，远高于碳棒组的4.94 g?L^?1（n=1），且CE仍维持在59.2–93.4%。

为进一步挖掘MES极限性能，研究尝试了阶梯提速电流策略，即在较短时间内将电流迅速提高至?80 mA并维持长期运行。最终，采用碳纤维阴极与N_{2吹扫阳极的组合在31天内实现了乙酸浓度12.44±1.56 g?L^?1，最大乙酸产率达0.6±0.1 g?L^?1?d^?1，创下了纯培养MES体系的最高记录，并已达到气相发酵约30%的性能水平，彰显出工程优化对生物催化过程的显著推动作用。}

值得注意的是，除了主产物乙酸，本研究还观察到在MES过程中C. ljungdahlii合成了一定量的氨基酸类代谢物——乙酰胺和甘氨酸，浓度分别达到最高364.0 mg?L^?1和21.1 mg?L^?1。这类化合物的积累在传统气相发酵中并未见报道，推测其形成可能与电化学环境中特殊的氧化还原应激或NADPH/NADP⁺平衡扰动有关，但其形成机制与电流、H₂可用性的直接关联并不显著，提示其或作为一种应激代谢响应存在。

综上所述，本研究通过电化学反应器设计、电极材料创新与操作策略优化，实现了对MES过程中氧应激和氢传递限制的有效克服，极大提升了Clostridium ljungdahlii的CO₂转化效率与产物收率。这一工作不仅为MES技术从实验室走向产业化提供了重要的工程学依据，也为开发以电能驱动的高效碳循环生物制造工艺奠定了坚实基础。未来研究可着眼于替代性阳极反应开发、H₂循环利用系统优化以及反应器流体力学进一步升级，以期在更大规模上实现MES的经济可行性与过程可持续性。