《Microbiological Research》：Developing biofilm electrofermentation from a laboratory curiosity to a viable biotechnology
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本文综述了生物膜电发酵（EF）这一新兴生物技术，系统阐述了EF如何利用极化电极与微生物生物膜间的氧化还原相互作用，实现对生物过程中细胞内氧化还原状态（如NADH/NAD?）的精确调控，从而提升现有生物化学品（如丁醇、琥珀酸、γ-聚谷氨酸、聚羟基脂肪酸酯）的产量、改变其理化性质，并降低因无需曝气带来的操作成本。文章强调了基因编辑工具（如CRISPR）与EF的协同潜力，提出了从实验室测试到中试规模生物反应器的可扩展应用路径，为生物电化学和生物工艺工程领域的实践者设计更高效的EF工艺提供了实用指南。
从实验室新奇到可行生物技术：生物膜电发酵的崛起
在生物制造领域，一项名为电发酵（EF）的技术正从实验室的探索走向工业应用的舞台。这项技术的核心在于利用一个简单而强大的原理：通过施加外部电势，让电极与微生物“对话”，从而精细调控细胞工厂的生产线。
何为电发酵？一场电极与微生物的“ redox 对话”
传统发酵依赖于氧气（曝气）来维持微生物代谢所需的氧化还原平衡，但这种方法效率有限、能耗高，且容易产生不理想的副产物。电发酵则另辟蹊径，它利用一个被极化（施加固定电压）的电极，直接作为电子的受体（阳极）或供体（阴极），与附着在其表面的微生物生物膜进行电子交换。这种“对话”的本质是胞外电子传递，它绕过了对氧气的依赖，直接干预细胞内的“能量货币”——例如NADH/NAD? 的比值。通过这种精准的氧化还原调控，EF能够将代谢流导向目标产物，提高产率和选择性，同时显著降低能耗。
电发酵的优势：不止于“增产”
EF的魔力体现在多个层面。首先，它能显著提升多种生物化学品的产量。例如，EF使丙酮丁醇梭菌 生产丁醇和丙酮的产量提高了约2倍，将大肠杆菌 的琥珀酸产量提高了1.6倍。其次，EF能改变产品的组成和性质，这对于高附加值聚合物尤其重要。在枯草芽孢杆菌 中，EF条件不仅增加了聚-γ-谷氨酸 的产量，还可能改变其聚合物的链长分布和流变性，从而满足化妆品保湿或药物递送的不同需求。类似地，基因编辑的耐金属贪铜菌 在EF下积累了更多聚羟基脂肪酸酯，可用于制造具有可控晶体结构和降解率的可生物降解材料。
电发酵的核心机制：电子如何“跨膜”旅行？
EF实现调控的物理基础是微生物与电极之间高效的电子传递，主要分为两种途径：
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直接电子传递：某些微生物，如地杆菌 和希瓦氏菌，拥有“天赋异禀”。它们通过细胞表面的c型细胞色素（如MtrCAB、OmcS）或导电的菌毛纳米线，像架设了微型电线一样，直接将电子传递给电极或从电极接收电子。这种方式效率高，是理想的高速率纯培养过程的追求目标。
- 2.
间接电子传递：更多微生物则借助“信使”——可溶性的氧化还原穿梭体，如黄素、吩嗪等。微生物分泌这些小分子，它们在细胞和电极之间循环，搬运电子。这种方式更具普适性，能让非电活性微生物也参与到EF中，特别适用于混合菌群体系。
生物膜：电发酵的“主舞台”与“设计对象”
EF本质上是一个生物膜过程。自然界中40–80%的微生物以生物膜形式存在，这是一种包裹在自身分泌的胞外聚合物 中的结构化微生物群落。在EF中，生物膜不仅为微生物附着电极提供了稳定住所，其三维结构也深刻影响着电子传递和物质传输的效率。生物膜的厚度是关键：过薄的生物膜生物量不足，过厚则会阻碍底物和产物扩散，并产生有害的pH梯度，通常20-150微米是较优的范围。
因此，操纵生物膜结构 成为增强EF生产力的策略之一。例如，通过CRISPR技术编辑地杆菌 的EPS相关基因，可以获得更致密、导电性更好的生物膜，从而将电流输出提高40%。在由恶臭假单胞菌 和枯草芽孢杆菌 组成的工程菌群中，增强前者的藻酸盐产量可以稳定共享的基质，从而使后者的γ-PGA产量提升35%。
基因编辑：为电发酵微生物装上“定制引擎”
如果说电极提供了外部控制开关，那么基因编辑就是在改造微生物本身的“电路”和“生产线”，使其更适配EF环境。这方面的尝试已取得显著成果：
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在希瓦氏菌 中过表达mtrC 和omcA 等细胞色素基因，可以显著增厚导电生物膜，使其在类似发酵的微生物燃料电池中功率密度提高3-5倍。
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对巴斯德梭菌 进行模块化工程改造，通过过表达SO1522、gapA、mdh 和ndh 等基因，将更多电子导入EET链，使细胞内NADH水平提高62%，功率密度提高3.5倍。
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在一氧化碳梭菌 中上调氢化酶基因，可以实现高效、亚化学计量的电子供应，通过平衡辅因子库和减少副产物，将挥发性脂肪酸产量提高20%。
解密细胞内响应：从辅因子平衡到转录调控
电极电势如何最终改变细胞代谢？其信号传递链路逐渐清晰。最直接的层面是改变NADH/NAD? 等关键辅因子的比例，从而扭转像丙酮酸 节点这样的代谢分支点的流向。更深层的机制在于激活细胞内的氧化还原感应转录调节子。例如，在许多革兰氏阳性菌中存在的Rex 蛋白，它能感应NADH水平的变化，进而解除对ndh（NADH脱氢酶）等基因的抑制，在EF中可用于增强目标产物如乙酰丁醇 的合成。
在革兰氏阴性电活性菌如希瓦氏菌 中，感应系统甚至可以整合电极电势信号，直接调节与EET相关的基因（如编码c型细胞色素的基因）表达。科学家们还成功将这种感应能力工程化，例如，在大肠杆菌 中构建了由施加电位激活的合成启动子，实现了对基因表达的远程电控制。
从混合菌群到反应器设计：电发酵的生态与工程视角
在实际应用中，EF通常涉及多物种形成的混合菌群生物膜，这引入了复杂的生态学相互作用。电活性菌（如地杆菌）和发酵生产菌（如梭菌）之间可以形成互惠共生的“搭档”关系：电活性菌负责与电极进行电子交换，为生产菌创造有利的局部氧化还原环境，生产菌则专注于高效合成目标化学品。例如，在链 elongation 过程中，地杆菌 与梭菌 之间的互营电子共享，通过MET将中链脂肪酸产量提高了40%。甚至可以通过添加群体感应分子C8-HSL，将己酸产量进一步提升61%。
然而，混合菌群也带来稳定性挑战，如群落结构漂变、电极生物污损和死细胞积累。为此，需要综合的工程优化：
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电极材料：从高比表面积的改性碳材料（如石墨烯复合材料）到生物相容性好的金属氧化物（如氧化铁），旨在促进生物膜附着、增强电子传递并抗污损。
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反应器工程：电极间距、反应器构型、电势长期稳定性等工程细节显著影响性能。例如，将电极间距从8厘米缩短至2厘米，可使电流密度提高多达40%。
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过程监控与建模：代谢通量分析 等计算工具能定量揭示EF如何重塑中心碳代谢流，识别对电势敏感的关键代谢节点，从而指导理性的菌种选择和工艺参数设计。
挑战与未来之路
尽管前景广阔，EF迈向产业化仍面临产率波动大、设计标准不统一、放大指南缺乏等挑战。产量波动可能源于产物/菌种特异的氧化还原依赖性、生物膜结构和厚度不均、电极电势窗口偏离、微生物生态漂变以及电极降解和生物污损等多种因素。
未来，EF的发展将依赖于标准化协议的建立，以及代谢建模、基因编辑和生态模型的深度整合。其工业应用的里程碑包括：在≥100升的中试反应器中实现连续稳定运行超过6个月，产品效价变异低于15%；在实现相比传统发酵至少1.5倍产率提升的同时，将比能耗控制在0.5 kWh kg-1产品以下；并在>100立方米规模上，通过技术经济验证证明其生产成本可与化石基替代品竞争。
从实验室的好奇到可行的生物技术，电发酵正凭借其独特的氧化还原精准调控能力，为可持续生物制造，特别是在化妆品和制药行业的高附加值化学品生产，开辟一条充满希望的新路径。
