微生物电合成中链脂肪酸的研究进展和应用分析

工程16（2022）141研究绿色化学工程述评微生物电合成中链脂肪酸朱娜a，文浩b，吴庆莲c，梁勤军a，姜勇a，刘晓波，彭亮b，任志勇，曾健雄a福建农林大学资源与环境学院土壤环境健康与调控福建省重点实验室邮编：350002b清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084c四川大学建筑与环境学院成都610065d土木与环境工程系安德林格能源与环境中心，普林斯顿大学，普林斯顿，NJ 08544，美国阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2021年1月25日修订2021年3月3日接受2021年7月31日在线提供保留字：电发酵微生物电化学产乙酸链延伸电活性微生物A B S T R A C T微生物电合成（MES）利用微生物催化剂和电化学来提高CO2生物转化为有机物的能力，同时具有废物生物精炼能力.本文综述了MES利用CO2和有机废弃物生产中链脂肪酸（MCFA）的研究现状和发展前景。介绍了常规发酵法生产MCFA的基本原理和研究进展。综述了MES中MCFA的研究进展，重点介绍了多电子供体（EDs）的策略。介绍了CO2-MES生产MCFA所面临的挑战，主要讨论了甲烷生成抑制、产乙酸菌的三磷酸腺苷（ATP）限制以及溶剂合成产生的有限ED。电化学方法，以促进生物转化的实际废物与MCFA生产的可能应用进行了分析。最后，未来的发展方向进行了探讨，包括多级反应，底物供应，产品提取，和微生物途径。©2022 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍快速的城市化和人口增长加剧了温室气体排放增加、有机废物大量产生和能源危机等二氧化碳（CO2）是一种重要的温室气体，开发捕获和隔离CO2的技术具有重大的经济和政治动机[1]。提高CO2利用率的全球研发项目主要集中在化学生产、矿化、食品加工、生物固定和能量储存[2]。在这些技术中，人们对利用二氧化碳作为碳源来生产高价值化学品的兴趣越来越大。许多生物合成策略由于较低的生产率、产率和滴度而不能有效地与化学合成竞争以产生化学品[3]。然而，生物途径提供更高的特异性，在环境条件下更低的能量成本，并且更好地避免杂质的中毒效应[4]。利用微生物细胞工厂的资源，二氧化碳可以作为糖或生物质的替代原料，并被描述为*通讯作者。电子邮件地址：jiangyongchange@163.com（Y. Jiang）。第三代生物精炼厂[4]。与太阳能-生物质-产品的效率相比，基于自养电合成的太阳能-电-产品的更高的能量效率预期来自CO2的直接生物转化[4]。除二氧化碳外，有机废物还可用作生物化学生产的可持续原料[5]。总的来说，人们对开发资源回收技术有着浓厚的兴趣，这些技术是有机废物管理的环境危害较小的选择[6，7]。可再生能源的开发有助于减少全球人为二氧化碳排放，从而增加可再生能源在全球总发电量中的比例[8]。在Power-to-X转换技术的背景下，可再生能源可以存储在具有高体积或重量存储容量的燃料中，这些燃料也与现有燃料基础设施兼容[9]。微生物电合成（MES），狭义上是以微生物为电极催化剂，利用CO2进行化学生产的微生物电化学技术，广义上包括有机废物的微生物电化学增值[10近年来，MES与适当的生物和电子组件一起的开发吸引了大量的关注https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.03.0252095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engN. 朱，W。豪角，澳-地Wu等人工程16（2022）141142×···MES用于从CO2进行化学生产的应用可以使用电营养微生物来从CO2的封存和可再生能源的储存中产生烃[13在过去的十年中，开发用于从CO2生产化学品的MES的努力主要集中在提高生产率和拓宽可以使用这种方法合成的化学品的范围[16]。例如，可以通过微生物的适应性实验室进化（ALE）、电极材料的改进以及具有更高效率的新型反应器的设计来刺激生产率[17，18]。此外，通过开发新型工程生物催化剂以生产高价值精细化学品[19，20]，或通过设计集成工艺以生产大宗化学品[21-23]，与传统的基于氧化还原电位（ORP）的控制相比，用于有机废物增值的化学品生产的MES应通过精确控制具有更大氧化还原条件操作范围的生物菌版本来提供高选择性[24]。此外，插入固体电极作为末端电子受体（EA）或电子供体（ED）可以克服发酵过程的热力学障碍[25]。与直接H2气体注入相比，电极驱动的还原应通过搅拌降低能耗，以克服用于有机废物的稳定化的MES可以使用能够进行细胞外电子转移（EET）和与电活性微生物共发酵的发酵微生物来完成。例如，革兰氏阳性菌丙酮丁醇梭菌的电发酵已在无介体反应器中进行，并且使用基于黄素的EET获得产物的转变[27]。随着使能技术的发展，可以在MES中生产精细化学品[28]。然而，多重基因组编辑方法的使用和太多不同模块的组装可能使底盘负担过重，导致代谢不平衡和效率不足[3]。合成微生物聚生体通过在一起生长的两种或更多种工程菌株之间的劳动分工提供了一种替代方案[29]。然而，合成微生物聚生体在MES中的性能尚未得到证实。与单一微生物培养物或无菌系统相比，使用混合培养物可能会降低资本和运营成本，因为使用了未灭菌的原始基质[30]。因此，创建混合的从实际的有机废物增值中培养化学生产的MES战略。中链脂肪酸（MCFA）是具有6-12个碳原子（C6-C12）和一个羧基的直链脂肪MCFA具有比前体如短链脂肪酸（SCFA，C2-C5）更高的能量密度在这些MCFA中，己酸盐（C6）从传统资源中的可利用性最低，但通过微生物生产可获得高滴度的C6[33]。C1-C5的市场价格通常随着碳链长度的增加而增加（图1）。 1（a）），C6的未精炼值为1000 USD t-1，精炼值为3800 USD t-1[8，17，34 -36]。羧酸盐的全球市场价值因碳链而异（图1）。 1（b）），预计到2023年底，MCFA的市场价值将达到约8 10 9美元[33]。羧酸盐的疏水性一般随碳链长度的增加而增加。例如，未解离的己酸酯和戊酸酯的溶解度分别为10.82和49.7 g L-1，但其他SCFA是完全混溶的[37]。与C2所需的能量相比，C6更强的疏水性导致提取能量消耗近10%（图1（c））[17]。有几个关于MES的优秀评论，描述EET的机理[38]、生物反应器的配置[39，40]、能量效率改进的策略[41]、能量消耗的讨论[17]、光敏化材料的发展[42]以及三维阴极的应用[43]。然而，很少有评论文章集中在特定产品的MES的使用。例如，已经讨论了MES中甲烷或乙酸盐生产的微生物组[44，45]，总结了MES与现有生物精炼技术合并的巨大潜力[9，46，47]，并讨论了使用MES改进丁醇生产的前景[48]。用于MCFA生产的常规发酵可以通过微生物电化学调节潜在地增强[31，32]，并且在MES中生产MCFA应该是经济上有利可图的，特别是与诸如甲烷和乙酸盐的产物相比[49，50]。本文综述了微囊藻酸的研究现状及应用前景。本文首先介绍了常规发酵生产MCFA的基本原理和最新研究进展是总结接下来，挑战对于MCFAFig. 1. (a)羧酸的市场价格。(b)羧酸的全球市场价值预计到2026年将达到，数据来自不同来源（https：www.marketsandmarkets.com/、https://www.marketwatch.com/、https://dataintelo.com/、http://www.gosreports.com/和https：ing.com/）。(c)羧酸萃取的能耗和数据来自一篇优秀的综述论文（参考文献[17]）。每个数据点都是从不同的来源获得的，条形图高度是这些数据的平均值市场价格数据来自参考文献。[8，17，34N. 朱，W。豪角，澳-地Wu等人工程16（2022）141143分析了MES中CO2的产生实际的有机废物可以包含多个ED，但是在MES中电极被用作固体ED以促进生物转化，因此多个ED的使用在常规发酵和MES中呈现机遇和挑战最后，未来的发展和前景，以改善生产制造执行系统的概述。总的来说，这篇综述应该为微生物电化学MCFA生产提供一个共同的知识基础，并可能有助于指导未来的跨学科工作，以增加这项技术的应用。2. 通过常规发酵生产MCFA在本节中，介绍了通过常规发酵生产可持续MCFA的方法的最新进展由于实际有机废弃物中可能含有多种ED，因此讨论了多种ED对生物转化的影响。2.1. 工作原理及最新进展在微生物MCFA生产领域已经取得了重大进展，ChainCrafty公司有效地展示了工业化。微生物包括Clostridium kluyveri（C. kluyveri）、梭菌属BS-1（重命名为Caproiciproducens galactolivorans）、埃氏巨球菌和己酸巨球菌能够产生MCFA，并且已经阐明了基于反向氧化（RBO）途径的微生物链延伸（CE）过程[32，51，52]。简而言之，在RBO途径中，由各种ED氧化产生的乙酰辅酶A（乙酰辅酶A）可以以环状形式与充当EA的SCFA相互作用，以使每个循环的碳链长度延长两个碳[32]。研究了pH、酵母膏和无机碳源对模式菌C. kluyveri已被评估[53]。用工程化微生物例如大肠杆菌（Escherichia coli）（E.大肠杆菌），通常在“毫克每升”的较低范围内，因为这些化学物质不是细胞内源性的，并且难 以 控 制 链 长 [54] 。 此 外 ， 还 研 究 了 MCFA 在 酿 酒 酵 母（Saccharomycescerevisiae，S.最近通过脂肪酸脱氢酶（FAS）的多维操作实现了对酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的纯化[55]。偶数、奇数和支链MCFA可分别通过进料偶数、奇数和异构体SCFA来制备[33]。实际有机废物已被用作MCFA生产的原料，包括食物废物[56，57]、酸乳清废物[37，58]、草[59]、活性污泥碱性发酵液[60]、来自污水污泥的厌氧发酵液[61]和中国白酒制造废水[62]。已形成用于MCFA生产的颗粒污泥[63，64]。已经测试了各种生物反应器用于MCFA生产，包括上流式厌氧过滤器（UAF）、上流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧序批式反应器（ASBR）、连续搅拌槽反应器（CSTR）、间歇床反应器（LBR）和膨胀颗粒污泥床（EGSB）[65]。还对连续反应器系统生产MCFA超过一年的长期性能进行了评价[58，65，66]。2.2. 常规发酵微生物生产MCFA需要ED，ED可以来自乙醇、甲醇、乳酸盐、H2和CO[31，32]。不同ED的特性显著影响MCFA生产的成本、微生物群落和碳通量。考虑到乙醇可以从微生物MCFA生产，乙醇已被提议为用于微生物MCFA生产的最理想ED。yhttps://www.chaincraft.nl包括工业和农业废物在内的各种来源，同时用作ED，可以获得高MCFA生产率[67]。然而，额外的乙醇供应对环境有负面影响，并增加了成本[68]。如果乙醇被用作ED的来源，则需要外部CO2用于相应的MCFA形成细菌（例如，C. kluyveri [69].廉价易得的甲醇已被用作ED以生产异丁酸酯和正丁酸酯[66]。当乳酸用作ED，CO2被释放，这会降低碳效率[70]。H2可以作为气态能量载体，但这受到其低溶解度的限制。CO可以提供比H2更低的氧化还原电位，并且可以用CO作为唯一的ED和碳源来生产MCFA[71]。扬氏梭菌（Clostridium ljungdahlii，C. ljung-dahlii）可以通过从用H 2 /CO 2进料乙酸酯转变为用CO/ CO 2进料更还原的乙醇来生产不同的产品[72]。此外，CO可用于直接将SCFA升级为生成MCFA[73]。然而，CO对各种微生物具有不同程度的抑制作用，并且由于其毒性，预计会形成微生物群落[74]。已经作出了大量努力，以评估微生物MCFA生产的多个ED有两个主要的研究路线：升级特定的有机废物，自然含有多种ED，或评估外部ED的添加，以促进MCFA生产。乙醇和乳酸的结合有望促进MCFA的产生，因为乳酸释放的CO2补偿了乙醇引导CE中的CO2使用含有乳酸盐、乙醇和SCFAs的中国白酒酿造废水作为底物，血清瓶中MCFAs的选择性（MCFAs的电子当量除以消耗底物的电子）为80.34% ± 5.26%[62]，长期EGSB操作中MCFAs产率为76.80%[65]。在CE反应器中同时使用甲醇和乙醇将SCFA升级为己酸酯和异丁酸酯[75]。在乙醇发酵中添加CO增加了电子向C3-C7脂肪酸的分布H2供应减少了乳酸盐引导CE的竞争性丙烯酸酯途径，并提高了MCFA的产量[77]。根据微生物群落、底物组成和操作参数，多重ED也可能导致MCFA产量降低。例如，在用食物垃圾喂养的生物反应器中补充乙醇会降低整体MCFA的产量，但补充H2会提高性能[57]。同样，在pH值低至5.5的条件下，在用酸乳清补料的生物反应器中补充乙醇可减少MCFA的产生[78]。添加乙醇后MCFA产量的降低可以通过以下事实来解释：乙醇引导的己酸生产者，例如，C.克鲁维氏菌不是这些生物反应器中的关键微生物，乳酸而不是乙醇主要充当ED。用于乙醇引导的CE的克鲁维氏菌在6.5至7.6的pH下生长最好，而用于乳酸盐引导的CE的瘤胃球菌科细菌CPB 6在5.5至6的初始pH下生长最佳[79]。最近的一项研究发现，低于6的pH值可以通过替代途径刺激乳酸盐产生MCFA[80]。当饲喂混合底物（如乳糖、乳酸盐、乙酸盐和乙醇）时，用C. Kluyveri与仅接种热处理的厌氧消化器污泥的对照反应器相比导致较低的己酸盐产量。这些结果可能是因为C. Kluyveri可以抑制乳酸菌的活性使用[81]。3. MES中的MCFA生产在MES中 MCFA的生产应比作为主要产品的甲烷或乙酸酯的生产更经济地获利此外，MCFA生产可以提供新的机会N. 朱，W。豪角，澳-地Wu等人工程16（2022）141144·············通过与其他现有生物精炼技术的整合，实现MES的实际应用。在本节中，讨论了MES中MCFA生产的研究3.1. CO2作为唯一碳源在MES中，如果甲烷生成被抑制，乙酸盐通常是CO2的主要产物[17，38]。一些关于MES中CO2产生MCFA的研究达到了最大C6特异性，范围为4%-20%，滞后期长达240天（表1）[22，49，74，82MES生物反应器和工艺参数的优化（例如，pH和气体分压）是使用CO2作为唯一碳源产生MCFA的关键 MES生物反应器的构造具有阴极电解液的强制流通，其允许维持高电流密度（175 A m-2）;在150天的滞后期，反应器最终达到1.5 g L-1的最大己酸盐浓度，其低于丁酸盐（3.2 g L-1）和乙酸盐（8.6 g L-1）的浓度[82]。构建了一种新型双生物阴极MES，以分别控制常规生物阴极（6.9）和中间生物阴极（4.9）的pH，并产生己酸（0.27 g·L-1）、丁酸（1.49 g·L-1）和乙酸（约4.1 g·L-1）[22]。通过在低pH值和升高的H2分压下操作MES反应器，获得了高于乙酸盐浓度的丁酸盐浓度，仅具有痕量的己酸盐[84]。在这些MES生物反应器中，丁酸盐可通过与乙酰辅酶A还原偶联的Wood-Ljungdahl途径（WLP）或通过基于RBO途径的CE工艺直接生产MES中己酸的检测表明RBO途径是活跃的[84]，但这两种途径对丁酸盐产生的相对贡献尚未确定。将pH值控制在5左右，运行462天后，MES中己酸盐的最大浓度为1.2 g L-1，仍低于丁酸盐（3.1 g L-1）和乙酸盐（4.9 g L-1）[49]。通过调节MES中的CO2进料速率，在200天后获得3.1 g·L-1的最大己酸盐浓度，仍然低于丁酸盐（9.3 g·L-1）和乙酸盐（17.5g·L-1）的最大浓度[83]。考虑到使用CO2作为MCFA生产的唯一碳源的挑战，使用SCFA作为CO2的替代品已应用于MES，其中一些研究在第4.3节中讨论此外，MES中MCFA的产生也可以用额外的ED刺激。3.2. MES中的多个ED多ED策略已应用于MES以增加MCFA的产量（图2（a））。实现了在MES中同时使用电极和乙醇作为ED（图1B）。 2（b））。己酸酯作为主要产物产生，具有80.28% ± 0.52%的显著高选择性[90]。己酸的最大浓度为（7.66 ± 1.38）g L-1，远高于丁酸（1.22 ±0.73）g L-1和乙酸（1.15 ± 0.77）g L-1。根据碳平衡计算，这些液态有机化合物中23.43% ± 0.69%的碳来自CO2.在MCFA的 MES中同时使用电极和CO作为ED并不容易实现，尽管已经产生了包括乙酸盐、丁酸盐、丙酸盐、异丁酸盐和异戊酸盐的产物的混合物[94]。然而，最近的一项研究观察到，在MES中以15.41% ± 1.48%的特异性产生己酸（图2（c）），以CO：CO2（50：50）[74]。相比之下，在用纯CO2喂养的MES中，没有检测到己酸盐[74]。MES中多个ED的存在可能影响乙酸生成，溶剂生成和CE过程[95]。使用CO作为唯一的电子供体可以通过水煤气变换反应后的甲基分支或直接通过WLP的羰基分支维持产乙酸菌的自养生长在CO上生长期间，三磷酸腺苷（ATP）产量和生长速率预计高于H2，因为CO还原仅产生用于ATP生产的铁氧还蛋白（Fd2），但在H2/ CO2进料时观察到还原的Fd 2和NADPH之间的电子分叉[97]。还没有讨论过平衡电极对乙酸生成或溶剂生成的影响例如，尚不清楚平衡的电极是否可以直接供给产乙酸菌用于铁氧还蛋白还原以提高ATP产量[98]。还需要更多的研究，但研究表明，一个稳定的电极可能会在一定程度上影响CE过程。Rex作为一个全局性的转录调控因子，在C. kluyveri调节代谢以响应细胞NADH/NAD+比率[99]，这对能量产生至关重要[100]。平衡的电极可以将NADH池驱动到更还原的状态[3]。 但C.在阴极条件下的kluyveri（（100.7 ±8.2）mmol L-1）与开路对照（（81.7 ± 12.0）mmol L-1）无统计学差异[101]。与通过开路控制获得的量相比，具有新鲜阴极的混合培养物电发酵可以使乙酸盐和乙醇的生物转化的己酸盐特异性增加约28%[91]。然而，适应阴极对己酸盐生产的影响取决于底物（图2（d））[91]。微生物从乳酸产生MCFA的电化学调节应该允许从生物转化中重新捕获释放的CO2，但这尚未在实验中显示。4. CO2-MES生产MCFA面临的挑战通过传统发酵从复杂有机废物生产MCFA是一个自发过程[100]，包括表1MES中MCFA生产的研究碳源电子供体MCFA最大浓度（g·L-1）最大C6特异性a（%）C6（d）参考文献CO2电极C6（1.5）20164[第八十二章]CO2电极C6（3.1）17171[八十三]CO2电极C6（1.2）16240[49个]CO2电极C6（0.27）5<5[22日]CO2电极C6（0.1）<4NA[八十四]CO2电极C6（0.25）、C7（0.26）141[第八十五章]醋酸钾，碳酸钾电极C6（0.739）、C8（0.036）不适用b4[八十六]醋酸盐，二氧化碳电极C6（0.06）660[八十七]乙酸盐、丁酸盐电极C6（0.02）0.2不适用b[八十八]乙酸盐、丁酸盐电极C6（0.3）1043[八十九]二氧化碳，乙醇乙醇电极C6（7.66）、C7（0.48）841[90个]醋酸盐、乙醇乙醇电极C6（6.6）36.22[九十一]二氧化碳，一氧化碳电极，COC6（0.78）15.444[第七十四章]a与所有已查明的液态有机化学品相比，C6中回收的电子。b不详。N. 朱，W。豪角，澳-地Wu等人工程16（2022）141145-·图二、（a）在生产执行系统中使用多个ED进行MCFA生产的战略（b）在MES中同时使用电极和乙醇作为ED，具有比单独使用乙醇或电极更高的己酸酯选择性经Elsevier Ltd.许可，转载自参考文献[90]，©2020年版权所有。(c)在MES中同时使用电极和CO作为ED;使用50% CO实现最大己酸盐特异性。经美国化学学会许可，转载自参考文献[74]，©2020。(d)不同底物浓度下外加驯化阴极对混合培养CE过程的影响。经Elsevier Ltd.许可，转载自参考文献[91]©2020年版权所有。CF：碳毡;选择性S+E：基于基材和电极的选择性。水解、初级发酵和CE（图3（a））。以CO2作为唯一碳源的MES中MCFA的生产具有挑战性，需要乙酸生成、溶剂生成和CE过程（图3（b））[22，49]。在本节中，全面讨论了MES中MCFA生产的挑战。4.1. 甲烷生成抑制在开放培养发酵中，产甲烷菌可以消耗底物或中间体（即，乙酸和H2），以降低MCFA的总产率[32，102]。产甲烷菌可通过消耗H2和CO2[32，103]对CE过程产生有害影响，因为甲烷形成（DG= -130kJ）在热力学上甚至比乙酸盐形成（DG= 55 kJ）更有利。产甲烷菌是厌氧原核生物，包括乙酸产甲烷菌（例如，Methanosaeta）、兼性乙酸杆菌产甲烷菌（例如，甲烷八叠球菌属）和氢营养型产甲烷菌（例如，甲烷杆菌属、甲烷球菌属和甲烷短杆菌属）[104]。目前，通过发电将H2转化为CH4的CH4生产成本估计为约1.2 EUR·kg-1CH4（假设H2转化为CH4的效率为90%），考虑到目前天然气的批发价格低于0.25 EUR kg-1，因此这不是一个经济的选择[105]。甲烷生成抑制包括通过抑制甲烷的活性来减少甲烷生成的不同方法。可以通过添加化学抑制剂[106]、氧化还原介体[107]或导电材料（如磁铁矿[108]和粉末活性炭[109]）来操纵产甲烷菌。2-溴乙烷磺酸盐是一种常用的抑制剂，其添加增加了总成本[73]，由于微生物降解[110，111]，其效果是短暂的，并且其添加可能抑制支化MCFA的产生[106]。另一种策略是修改操作参数，因为产甲烷菌可以通过低pH值、低温、减少的污泥停留时间（SRT）或减少的CO2和H2分压来抑制[81]。应该注意的是，这些用于产甲烷的方法可以潜在地应用于MES以及传统发酵。4.2. 产乙酸菌产乙酸物被定义为具有用于CO2同化的还原性乙酰辅酶A途径，与乙酸盐形成相对无关[112]。产乙酸菌可以独立于其他微生物发挥作用。模式产乙酸菌伍氏醋酸杆菌（Acetobacterium woodii（A.woodii）能够在一个细胞中从发酵中产生氢气并消耗氢气以还原CO2，使得发酵过程在能量上成为可能并且独立于共营养组分[113]。乙酸也具有生态重要性。WLP更像是一个电子汇，而不是一个完整的呼吸链，因此它可以潜在地与各种底物的发酵结合，以实现氧化还原平衡[112]。基于ATP消耗[4]，WLP是厌氧条件下微生物固定CO2的最合适途径[114]。然而，产乙酸菌通常只能产生其生物合成与ATP生成偶联的化学物质[115]，这是由于其ATP限制[98]，并且乙酰辅酶A通量从乙酸盐的任何转移都可能进一步增加ATP成本[98]。你比如说N. 朱，W。豪角，澳-地Wu等人工程16（2022）141146图三. MCFA生产通过（a）传统发酵从复杂的有机废物和（b）MES从CO2.每100 mol H2，乙酸酯的产率可达23.6 mol，但丁醇的理论上限仅为0.2 mol[115]。此外，每摩尔产生的乙酸盐仅支持产生0.25至100%的乙酸盐。0.63 mol ATP，导致总产率低和生长速率慢[116]。考虑到该过程的能量限制，产乙酸菌代谢通过代谢物水平而不是在能量昂贵的翻译后水平由热力学控制[117]。由于ATP的限制，使用产乙酸菌来生产具有较长碳链的化学品（例如MCFA）是具有挑战性的，并且MES反应器中的产物主要由乙酸盐主导因此，迫切需要解决产乙酸菌的ATP限制问题，通过提高生物量密度来提高产乙酸菌的体积产率，通过调节碳通量来扩大产乙酸菌的化学谱。解决传统发酵中产乙酸菌ATP限制的策略包括使用额外的EA以节约能源和通过混合营养提高产乙酸菌产量（图4）[116，118作为EA，硝酸盐比CO2更有利于能量[116]。例如，硝酸盐的添加 提 高 了红球藻的 生 长 速 率 、 生 物 量 密 度 和 ATP/ADP 比 值 。ljungdahlii（图4（a））[116].然而，Moorella thermoacetica（M.thermoacetica）在还原CO2的同时不能呼吸硝酸盐;胡氏菌不能代谢硝酸盐[116]。添加硝酸盐以节约能源的负面影响包括电子消耗、铵积累和pH值增加。添加硝酸盐还可能导致生长和生产速率的差异，这可能是由于随机抑制事件[121]。WLP在自养和异养生长期间都是活跃的[96]，并且许多产乙酸菌能够从各种ED获得电子，除了H 2之外，还包括糖、C1化合物如甲酸盐和CO、初级发酵产物如醇和SCFA或甲基化氮化合物如甘氨酸和甜菜碱。产乙酸菌的混合营养允许同时利用有机和无机底物（图11）。 4（b）），通过ATP生产与CO2固定的解耦[122]。除产乙酸菌以外的微生物的混合营养，如蓝藻和微藻，也有报道[123，124]。例如，小球藻在SCFA上的兼养生长导致生物质生产率增加[125]。然而，在已知的CO2固定途径中，只有WLP能够将六碳糖化学计量转化为三摩尔乙酸盐[126]。混合营养是供试产乙酸菌的一种特性，包括A. 伍迪，C. ljungdahlii 、自 产乙 醇梭 菌（ Clostridium autoethanogenum （ C.autoethanogenum ） 、 淤 泥 真 杆 菌 （ Eubacterium limosum （ E.limosum）和M.热醋酸[118]。产乙酸菌的混合营养可以通过促进产乙酸菌的生长来增加能量节约为利用CO2生产化学品提供了一种替代能源[127]。产乙酸菌的混合营养还可以提高有机物发酵的产物产量，因为释放的CO2可以通过WLP固定在微生物发酵过程中，丙酮酸脱羧转化为乙酰辅酶A并释放CO2，可导致至少33%的糖-底物碳损失。在生产更多还原化学品的过程中， 碳 效率 可能 进一 步降 低[128] ， 例如 ，乙 醇的 理论 产率 为51%[118]。所用有机基质的类型可影响产乙酸菌的混合营养。例如，果糖被发现是17种不同产乙酸菌混合营养的唯一碳水化合物[122]。鉴于产生的还原当量约等于释放的CO2固定的要求，预计葡萄糖不会完成碳固定，但生物质生成和维持会消耗一些还原当量[122]。不同还原程度的产物会影响产乙酸菌的兼养。对于更多的还原产物，例如丁醇，更多的还原当量直接用于产物形成，因此固定较少的CO2。H2增强的混合营养被提出来减少总的CO2排放，同时从有机物的发酵中产生更多的还原产物[118]。对于产乙酸菌兼养型而言，糖酵解过程中产生的CO2和WLP吸收的CO2应达到平衡，以提高有机物发酵的产物产量。此外，糖酵解过程中ATP的产生应与CO2吸收、细胞生长和化学生产的消耗然而，产乙酸菌兼养的一个关键问题是碳分解代谢抑制（CCR），这是伴随着WLP基因的下调，在积极有利的有机底物的存在下。CCR的发生因产乙酸菌的种类和培养条件而异[129]，并且许多种类可以同时使用C1气体和碳水化合物[126]。但在同时投喂M.用葡萄糖和CO2加热乙酸[119]。通过添加具有动力学限制浓度的糖来优化培养条件，可以将碳底物偏好转向CO2（图4（c））[119]。类似地，最近的一项研究观察到C.在木糖有限的条件下，用于乙酸盐生产的autoethanogenum（图4（d））[120]。MCFA生产与产乙酸菌兼养的整合在早期的综述论文中得到了强调[126]。这一提议是基于这样一个事实，即在厌氧条件下，有机底物的发酵预计将产生有效的ATP WLP，从WLP的产品可以作为RBO途径的底物本文提出了电极增强混合营养的概念N. 朱，W。豪角，澳-地Wu等人工程16（2022）141147见图4。克服产乙酸菌ATP限制的策略。(a)硝酸盐作为额外的EA为C. ljungdahlii [116]（OD 660：660 nm处的光密度; YC/A：单位乙酸盐的细胞产量; PV：体积生产率;生长速率和PV的单位分别为h-1和mmol C·h-1·L-1）。(b)不同的发酵模式包括异养、兼养和H2-增强的兼养. [118]《礼记》云：“礼者，礼也。(c)以动力学限制浓度喂糖以克服CCR[119]。(d)在木糖限制条件下共吸收木糖和CO用于乙酸生产。[2019 - 12 - 19][2019 - 12 - 19][2019 - 01][2019 - 01 - 19][2019 - 01 - 19][2019 - 01][2019 - 01 - 01][2019 - 01][2019 - 01 - 01][2019 -01][2019 - 01 - 01][2019 - 01] 19 - 01 01：00：00][2019 - 01]这可能会提高整体性能，在二氧化碳固定和MCFA生产方面，虽然这还没有得到实验证明（图5）。在微生物电化学反应器中，固体电极用作胞外或潜在的细胞内H2产生的ED[130]。然而，WLP的碳通量在使用H2的常规发酵中或在具有电极作为ED的MES中，在生产率和产物谱方面可能是本质上不同的[131，132]。图五、用于增强MCFA生产的电极增强混合营养的概念SLP：底物水平磷酸化。SLP释放的CO2可被WLP再固定一定比例的CO2用于支持MCFA形成细菌的生长4.3. 通过CE溶剂发生法生产的ED有限溶剂生成是用于发酵生产溶剂的微生物过程（例如，醇类）[133]。已经用属于梭菌属的菌株测试了溶剂生成能力，包括乙酸梭菌、C.永大丽C. carboxidivorans、C.ragsdalei和C. autoethanogenum[134].乙醛铁氧 还蛋白氧化还 原酶（ AOR ） - 乙醛 / 乙醇脱氢 酶（AdhE）催化乙酸还原为乙醇可能在C. ljungdahlii，与基于AdhE的乙酰辅酶A转化相比[135]。一些产乙酸菌株可以在5.4至9.8的较宽pH范围内生长良好[136]。然而，除了羧酸盐的积累外，弱酸性pH值（5）对溶剂生成至关重要[133]。例如，pH值降低会增加未解离的乙酸向细胞中的扩散，导致质子动力（PMF）的解偶联增加，而为了节能，产物从乙酸盐向乙醇转移可以实现ATP稳态，PMF的解偶联较低[137]。长链醇可以由合成气通过多个反应来生产例如，一项 共 培 养 研 究 发 现 ， C.ljungdahlii ， C. kluyveri ， 然 后 用 C.ljungdahlii[138].微生物电化学溶剂生成通常产生有限的醇[38，88]，限制了后续的CE过程，N. 朱，W。豪角，澳-地Wu等人工程16（2022）141148·······由于缺乏足够的ED，MCFA生产[32]。在MES系统中，以CO2为唯一碳源可以生产醇类使用气体扩散阴极可以刺激溶剂生成过程，尽管没有产生MCFA[139]。醇也可以通过在MES中还原SCFA来生产，并且基本上需要优化的SCFA加载和低pH条件来提高性能[140]。在双室生物反应器中，以6 gL-1乙酸为进料，己酸的最大浓度为0.74gL-1，丁酸盐为0.26 g L-1，辛酸盐为0.04 g L-1，乙醇为0.03 g L-1[86]。在另一个以乙酸盐和CO2进料的双室电化学生物反应器中，在没有检测到醇的情况下产生丁酸盐，仅产生痕量的丙酸盐和己酸盐[87]。构建单室MES反应器用于乙酸盐和丁酸盐的还原，并且乙醇、甲醇和丙醇被鉴定为具有痕量丁醇的主要产物，乙酸盐的还原效率约为50%，丁酸盐的还原效率约为18%因此，对于8.0 g-COD L-1的底物负荷，醇类的最大总浓度仅为（1.15 ± 0.07）克化学需氧量/升（g-CODL-1）微生物电化学溶剂生成以及MCFA的总体生产可能受到介质[142]、SCFA类型和微生物适应过程[89]的影响。总的来说，有限的ED是由MES中的溶剂生成产生的醇类的就地生产和消费可能导致低积累。为了通过CE方法实现更高的己酸酯特异性，乙醇与乙酸酯的高底物比（例如，（1：143）。5. 电化学技术提高了MCFA的产量用于MCFA生产的MES的最新研究使用化学成分确定的人工培养基。实际有机物和合成气的生物转化生产MCFA是一个复杂的过程，电化学技术可以在不同阶段提高MCFA的产量。碳-能量-辅因子比率的调节对于使用反应器微生物组的实际有机废物的生物精炼是至关重要的使用单一底物自然会对可用碳、能量和氧化还原辅因子施加化学计量限制[119]。使用单一底物（例如使用葡萄糖作为唯一碳源）难以以适当比例同时满足所有需求，这可能导致生物合成不平衡和次优产品产率[144]。葡萄糖可以更直接地产生NADPH，然而，这是一种能量缺乏的底物。乙酸盐可以支持乙酰辅酶A和ATP的生成，但不能支持NADPH的生成[119]。调整碳与能量与辅因子的比例可以帮助减轻蛋白质负担，因为不同的底物具有不同的代谢过程入口点[119]。例如，在基于木糖的S.酿酒酵母，允许提高效率[145]。有机废弃物经预处理和一次发酵后可生产羧酸盐和醇类物质，作为MCFA生产中的EA和ED。然而，实际有机废弃物中微生物碳纤维的生产可能会受到ED/EA比值不平衡的限制。例如，甘蔗汁发酵后EA不足[146]，而污泥发酵则需要ED[147]。能量供应可以用MES反应器中的平衡电极来调节，并且可用的碳和氧化还原辅因子可以使用共底物添加来调节。例如，已经提出了共发酵和共消化，以增加H2或CH4回收，增加营养平衡，稀释抑制剂，并增加固体还原[148，149]。热气化、工业废气和电解CO2还原产生的合成气可用于合成气发酵生产羧酸盐和醇类合成气的生物转化可以增加CO2利用潜力，与全球CO2排放量相比，这仍然相对较小[2]。来自非营养原料的热气化的合成 气 的 生 物 转 化 可 用 于 从 合 成 气 生 产 MCFA 和 衍 生 物 以C.carboxidivorans和E. limosum能产生己酸盐[150]，C. carboxidivorans可以从合成气中形成己醇[151]。Biocon版本的CO可能会释放CO2，因此需要额外的ED来重新同化这些CO2[152]。例如，供氢通过释放CO2减少了碳损失，并增加了C. autoethano- genum[153]. 然而，氢化酶和H2吸收可能会被过量CO的存在所阻碍[117]。合成气与葡萄糖的共发酵也增加了转化效率[154]。最近的一项研究表明，与传统的合成气发酵相比，作为额外ED的平衡电极可以增加乙酸盐产量和生物质生长，但详细机制尚未完全阐明[155]。电化学技术可以潜在地用于亲-在不同的工艺阶段记录MCFA生产废物的生物转化（图6）。例如，电化学技术可用于通过预处理、原位和侧流方法从有机废物中回收氨和硫。氨和硫作为营养物的回收可以增加经济效益，并有助于通过降低微生物毒性和减少不必要的碳或电子通量来增加MCFA产量[32]。高浓度带电羧酸盐的回收可以通过电解萃取来实现，而醇的汽提可以通过电催化析氢来潜在地获得。此外，使用MES作为独立的技术可以潜在地使用CO2以可调的比率生产乙酸和乙醇。微生物电