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图6
氢气介导MES的强化策略-2
正文中引用本图/表的段落
除了物理属性外，电极材料在微生物代谢调控中的“生物功能”也受到关注。Xie等人发现，在氢气氧化醋酸菌S. ovata中，电化学水分解过程引发了意料之外的代谢重编程，赋予细胞更高的ATP生成效率与还原能力［图6（c）］［71］。相较于传统H2供应方式，该材料-微生物耦合体系下的CO2转化效率从<80%提升至>95%，显著优化了乙酸产率。这一研究首次揭示了电极材料在电化学过程中对微生物代谢路径重构的诱导效应，为材料-生物界面调控提供了重要理论依据。该发现进一步推动了对功能材料在调节微生物能量流与代谢网络中的作用机制的认识，有助于构建可预测、自适应的MES系统，为后续的人工生物系统设计和高效固碳平台开发奠定基础。
Wu等人则进一步利用MES平台和工程化R. eutropha，实现了从CO2和H2原料到高附加值天然色素番茄红素的生物合成［图6（b）］［74］。该系统通过电极析氢为菌体持续提供还原力，在无机催化与生物合成之间建立有效耦合路径。值得注意的是，即使以燃煤电厂废气作为CO2来源，系统仍能实现1.73 mg/L番茄红素的产量，突破了传统MES对纯净气源的依赖，为工业尾气高值利用提供了全新技术路径。
原位耦合与异位耦合的对比 ... Direct utilization of industrial carbon dioxide with low impurities for acetate production via microbial electrosynthesis 1 2021 ... 当前主流的MES研究主要采用高纯度CO2作为碳源，然而工业废气中的CO2通常含有多种杂质组分，这些杂质不仅会毒害微生物，还会带来大量副产物，严重制约了MES技术的实际工程应用，因此有必要探索能耐受工业复杂废气的微生物固碳菌群.Roy等人首次探索使用未净化的工业CO2（来源于啤酒厂废气）进行MES，发现由城市污水厂富集的以Acetobacterium、Pseudomonas、Desulfovibrio、Sulfurospirillum、Proteiniphilum和Bacteroides占主导的混合菌群表现出优于纯培养C. ljungdahlii的乙酸产量和电子回收率，体现出更强的CO2利用能力及抗干扰性［ Effect of tungstate on acetate and ethanol production by the electrosynthetic bacterium Sporomusa ovata 1 2016 ... 通过对培养基成分的调控，可在分子水平上激发微生物固碳代谢通路，从而提升目标产物的生成速率.Ammam等人通过在培养基中添加钨酸盐，显著提高了S. ovata中含钨酶系的表达，如氧化醛还原酶和甲酸脱氢酶，从而增强了Wood-Ljungdahl（WL）固碳代谢通路的碳流强度［ Bioelectrochemical reduction of CO2 to CH4 via direct and indirect extracellular electron transfer by a hydrogenophilic methanogenic culture 1 2010 ... 更进一步，Villano等人构建了一种基于氢营养型产甲烷菌的生物阴极系统，高效还原CO2为甲烷［ Unexpected metabolic rewiring of CO2 fixation in H2-mediated materials-biology hybrids 1 2023 ... 除了物理属性外，电极材料在微生物代谢调控中的“生物功能”也受到关注.Xie等人发现，在氢气氧化醋酸菌S. ovata中，电化学水分解过程引发了意料之外的代谢重编程，赋予细胞更高的ATP生成效率与还原能力［ Carbon dioxide to bio-oil in a bioelectrochemical system-assisted microalgae biorefinery process 1 2022 ... Bolognesi等人提出了一种将MES与异养微藻培养耦合的两步工艺，开创性地实现了从CO2到生物油脂的间接高值转化［ Gas fermentation combined with water electrolysis for production of polyhydroxyalkanoate copolymer from carbon dioxide by engineered Ralstonia eutropha 1 2024 ... R. eutropha作为模式固碳菌株，因其独特的自养代谢能力与遗传背景，已被广泛应用于多碳产物合成研究.Di Stadio等人开发了一种循环气体控制系统，精准调节H2、O2和CO2三者比例，用于自养培养R. eutropha合成聚羟基脂肪酸酯（PHA）［ Efficient production of lycopene from CO2 via microbial electrosynthesis 3 2022 ... Wu等人则进一步利用MES平台和工程化R. eutropha，实现了从CO2和H2原料到高附加值天然色素番茄红素的生物合成［
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