工程化细菌铁载体生产加速岩石风化用于碳移除

《Nature Biotechnology》：Engineered bacterial siderophore production accelerates rock weathering for carbon removal

　　

硅酸盐矿物风化（溶解）是一种可规模化捕获与封存CO2的策略，但其速率过慢难以工业部署。细菌可通过分泌铁载体（siderophore，可螯合并增溶Fe3+的二级代谢物）加速矿物溶解。研究人员探究了如何规模化部署产铁载体细菌以持续增强橄榄石（olivine）的溶解。研究发现天然遗传调控阻碍了矿物生物反应器中铁载体的连续生产；为此，研究人员对海洋细菌Alteromonas macleodii进行工程化改造以增强铁载体生产，使橄榄石溶解速率提升2.6倍。生命周期分析（LCA）表明，可再生原料与改造细胞的最小补料是实现规模化净CO2移除的关键。依此指导，研究人员构建了中试规模连续矿物生物反应器，利用未处理海水与可再生乙酸盐（acetate）原料风化4 kg橄榄石，在工程化细胞反应器中通过碱度生成直接测得每日从空气中移除0.50 g CO2。

研究背景与立项依据

硅酸盐矿物（如橄榄石等镁铁质与超镁铁质矿物）溶解生成以HCO₃^?为主的碱度，可实现大气CO₂的长期封存，即增强岩石风化（enhanced weathering）。然而野外土壤中岩石风化速率极慢，且CO₂移除量难以量化；现有槽式矿物处理多依赖化学或生物酸，不产生碱度。细菌铁载体可在中性pH下通过螯合Fe³⁺防止铁氧化物在矿物表面钝化，从而加速硅酸盐溶解，但天然产铁载体菌受铁限制诱导调控，在连续矿物反应器中无法持续产铁载体，制约了规模化应用。因此，研究人员在《Nature Biotechnology》报道了以连续矿物生物反应器为载体，结合基因工程与生命周期分析（LCA），实现工程菌驱动橄榄石连续溶解与可测量CO₂移除的系统研究。

主要关键技术方法

研究人员构建了基于eVOLVER的平行连续矿物恒化器（chemostat），以沉降保留橄榄石砂、恒定稀释率维持稳态；采用qPCR检测铁限制标记基因（asbA/asbC、ftnA1/ftnA2）相对表达，LC–MS定量petrobactin浓度，ICP-OES测定Ni/Fe/Si/Mg释放速率；以Anderson组成型启动子替换Alteromonas macleodii基因组内源asb操纵子启动子获得组成型高产菌株asb+G；以理论恒化器模型预测铁限制区间；开展LCA比较不同碳源（葡萄糖、可再生乙酸盐）与接种频率对净CO₂移除的影响；最终以波士顿港未处理海水、4 kg级橄榄石砂构建11 L中试反应器验证。

研究结果

Continuous mineral bioreactors（连续矿物生物反应器）

研究人员操作16个平行恒化器，改变橄榄石质量与稀释率，发现稳态下仅在低橄榄石量/高稀释率出现铁限制与petrobactin高表达，证实天然A. macleodii内源调控使连续产铁载体仅存于窄操作窗口，工业参数下被抑制。

Genetic engineering for siderophore production（铁载体生产的基因工程）

将asb操纵子克隆至附加体质粒由J23100启动子驱动（asb+P），CAS平板与LC–MS显示铁充足下仍组成型高分泌petrobactin；进一步将J23101启动子整合入基因组得asb+G，无抗性选择下铁充足批培养中petrobactin产量与asb+P相当。连续培养中asb+P在各条件均高表达asbA/asbC，petrobactin浓度随密度上升，对铁限制不依赖。

Engineered bacteria continuously accelerate olivine dissolution（工程菌连续加速橄榄石溶解）

铁充足稳态下，asb+P相对于无生物对照使Ni溶解速率提升2.6±1.0倍（P=0.03），WT与无生物对照无显著差异；Ni为最佳小规模溶解标记，Si释放偏低。

LCA of large-scale mineral reactors（大规模矿物反应器LCA）

模拟150吨橄榄石/24000 L海水反应器：仅海水对照净移除0.65 kg d^?1；野生菌喂葡萄糖净排63 kg d^?1，喂可再生碳仍净排11.71 kg d^?1；工程菌加可再生乙酸盐（Lectrolyst电化学乙酸，约1.5 kg CO₂ per kg acetate消耗）上游排0.68 kg d^?1，毛移除1.81 kg d^?1，净移除1.13 kg d^?1（较对照+74%）。碳源排放因子须<0.6 kg CO₂ per kg C方可优于对照；工程菌需在~7个水力停留时间（约1周）内功能不退化为宜。

Scale-up of biological olivine weathering（生物橄榄石风化放大）

asb+G在批培养产petrobactin近asb+P；烧瓶级未缓冲海水中葡萄糖喂料因代谢产酸抵消碱度，乙酸盐喂料本身碱度高掩盖差异，改用乙酸（acetic acid）喂料确认asb+G同时提升溶解速率与碱度；未处理海水中asb+G可稳定存在~7个停留时间，WT存留~20个，满足LCA补种周期。

Pilot-scale mineral bioreactors with real seawater（真实海水中试反应器）

11 L玻璃釜装>4 kg建筑级橄榄石，波士顿港未处理海水1.5 L d^?1流通，200 rpm轻搅，每周补140 mL asb+G饱和培养物。第36–48天工程菌釜Mg释放较对照升3.1倍，碱度生成0.57 g CaCO₃ d^?1（等价于0.50 g CO₂ d^?1自空气移除）。Ca被去除且与Mg摩尔比恒定0.64±0.06，疑钙硅酸盐沉淀截留Ca/Si致表层结壳；3周后生物膜堆积伴溶解率下降，提示工业放大需控膜。

讨论与结论翻译

研究人员指出，天然铁载体受FUR类调控仅铁限制时表达，野生菌连续产铁载体需将全部释铁纳入生物质，营养需求过大致净排CO₂；工程化A. macleodii组成型产petrobactin绕开该限制，仅改asb途径即获2.6倍溶解加速，中试直接测得空气CO₂移除。LCA明确可再生乙酸盐原料与低补种频率（≥7停留时间）是净移除前提；葡萄糖因上游排放与代谢产酸双重不利被排除。该单元操作以最小营养输入在非无菌未处理海水中运行，近似水处理或堆浸工艺，可嵌入现有增强岩石风化产业。结论：工程化细菌铁载体生产使槽式橄榄石风化在真实海水中连续生成碱度并移除CO₂，为可测量、可再生的生物矿化碳移除提供了原理验证与中试证据。