酿酒酵母在微生物燃料电池中的电性能：纯培养与稻草水解物中的细菌共培养

《Biomass and Bioenergy》：Electrogenic performance of Saccharomyces cerevisiae in microbial fuel cells: Pure culture versus bacterial coculture in rice straw hydrolysates

本研究通过将酿酒酵母（S. cerevisiae）与两种细菌（B. subtilis和E. coli）共培养，探讨其在稻秆水解液中提升微生物燃料电池（MFC）性能的机制。实验表明，B. subtilis共培养显著优于E. coli，优化糖浓度20g/L时获得最高功率密度48.11mW/m2，且共培养体系有效促进酵母生长和底物利用。研究证实酵母-细菌共培养可协同提升MFC性能，为农业废弃物资源化利用提供新策略。

　　

Hue-Ngan Dai|Anh Phan-Hoang Nguyen|Phuoc-Dien Phan|Tam-Anh Duong Nguyen|Chin-Tsan Wang

越南胡志明市科技大学化学系

摘要

酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是微生物燃料电池（MFCs）中一种便捷的生物催化剂，但其产电能力较弱，且无法利用戊糖，这限制了木质纤维素生物质的转化效率。尽管酵母与细菌的共培养已在生物乙醇生产中得到广泛应用，但其在MFCs中的应用仍较为有限。本研究探讨了利用稻草水解物通过酵母与细菌的共培养来增强酿酒酵母生长和发电性能的可行性。实验表明，与大肠杆菌共培养相比，酿酒酵母与枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）共培养显著提高了酵母的存活率和糖的消耗量；然而，当糖浓度超过20 g/L时，整体转化效率会下降。在双室批式MFCs中，酿酒酵母-枯草芽孢杆菌共培养组比仅含酵母或未接种细菌的对照组实现了更高的功率密度。最佳水解物浓度为20 g/L时，开路电压为714.9 mV，功率密度为48.11 mW/m2，电流密度为698.9 mA/m2；进一步增加糖浓度至25 g/L并未提升性能。总体而言，酵母与细菌的共培养有效促进了酵母生长，在缺氧条件下提高了木质纤维素糖的利用率，并增强了基于酵母的MFCs的发电能力，展示了其从稻草水解物中回收生物能源的潜力。

引言

微生物燃料电池（MFC）是一种用于生物发电、废水处理和环境监测的可持续技术。在MFCs中，微生物起着最基础和重要的作用，包括有机物的氧化以及向阳极转移电子以产生电流。许多外电子释放菌（exoelectrogens）已被研究，其中Geobacter sulfurreducens和Shewanella oneidensis因其在纯培养中的高电流产出而成为最著名的模型[1]。其他常见且普遍存在的细菌也进行了评估，但由于MFCs主要用于从废弃物中回收生物能源[1,2]，因此纯培养在实际应用中不如混合菌群实用。此外，模型外电子释放菌的碳源范围有限，并且需要严格的厌氧条件[1,2]，这给MFCs的商业化带来了挑战。

酿酒酵母长期以来与人类生活密切相关，作为面包师和啤酒酿造中的酵母而被广泛使用。它适用于MFCs，因为其价格便宜、可长期储存、易于常规处理、能在有氧和无氧环境下生长，并能耐受较高的底物浓度[[3], [4], [5], [6]]。此外，酿酒酵母存在于富含糖分的酿酒厂、啤酒厂和面包厂的废水中，这些废水中的酵母可以重新用作MFCs的接种剂[7]。酿酒酵母所需的电子通过糖酵解或克雷布斯循环产生的NADH和FADH?形式提供[3,4,8,9]。由于酵母具有厚实的细胞壁将外膜与细胞内容物隔开，且细胞器被分隔开来，电子传递和介质扩散受到阻碍，导致大部分电子留在细胞内[3,8]。因此，细胞内NADH的积累虽然有助于维持氧化还原平衡，但会降低MFC的电流输出[3,10]。因此，基于酵母的MFCs的发电能力较弱。另一个需要考虑的因素是底物类型：酿酒酵母无法利用戊糖作为能源[5,6]，因此可能无法有效利用木质纤维素生物质进行生物能源生产。

目前提高基于酵母的MFCs性能的策略包括添加介质、改进阳极材料、基因工程以及将酵母与其他电子释放菌共培养[4,7]。向MFCs中添加外源介质可以增加NADH的氧化速率和输出功率；然而，人工介质价格昂贵，对酵母和环境具有毒性，并且需要持续添加才能达到高功率[7,11]。人们重点关注阳极的改良，以促进酵母附着并提高导电性。可以通过多种方式对酿酒酵母进行基因改造，例如在与Shewanella oneidensis共培养时引导电子流向乳酸生产[12]，或增加电子积累以实现乙醇和电能的协同生产[10]。在MFCs中，Shewanella oneidensis通常是首选的共培养菌种[12,13]。提高酵母利用戊糖能力的方法包括代谢工程和与能够降解木糖寡糖的微生物共培养；同时，分离出具有天然木糖利用途径的新菌株（如Pichia属菌株）也有助于推动技术进步[5,6]。已有研究表明，将酿酒酵母与其他利用木糖的微生物共培养可以提高木质纤维素生物质的生物乙醇产量，其中菌株选择对过程效率至关重要[5]。

尽管将酵母与利用木糖的微生物共培养已广泛应用于从农业工业废弃物中生产溶剂[5]，但很少有研究探讨其在MFCs中从木质纤维素资源中回收电能的应用。当酵母与电化学活性细菌共培养时，酵母利用细菌产生的介质或纳米线网络来增强自身的电子传递能力，而细菌则帮助降解酵母无法利用的底物[11]。对于以木质纤维素生物质为燃料的MFCs，酿酒酵母与利用木糖的外电子释放菌共培养可以同时解决这两个问题，从而利用两种微生物的优势实现高功率输出。在研究酵母-细菌共培养的文献中，Shewanella oneidensis是最常用的共培养菌种[12,13]；但由于这两种微生物都无法代谢戊糖，因此需要进行代谢工程改造[13]。迄今为止，关于MFCs中酵母-细菌共培养的研究多使用有限的底物。有研究比较了Lipomyces starkeyi和Klebsiella pneumoniae在棕榈油厂废水（POME）中的纯培养和混合培养性能，结果表明混合培养的功率密度达到12.87 W/m3[11]；向仅含酵母的MFC中添加K. pneumoniae培养基可提升其性能[11]。另一项使用POME的研究发现，酿酒酵母、P. aeruginosa和Klebsiella variicola的混合培养使MFC的功率密度达到500 mW/m2，而纯培养仅为50–103 mW/m2[14]。在一项使用1 g/L葡萄糖的研究中[15]，酿酒酵母与枯草芽孢杆菌的共培养使MFC的功率密度达到287 mW/m2。将Saccharomycopsis fibuligera与大肠杆菌共培养的MFC在COD去除效率上也优于单独使用酵母或背景微生物群落的MFC[16]。一项使用甜柠檬皮水解物的研究显示，含有酿酒酵母和分离的Enterobacter cloacae菌株的混合培养的MFC功率密度为204.8 mW/m2[17]。总体而言，利用木质纤维素废物的MFCs中酵母-细菌共培养的研究仍相当有限。

稻草是亚洲丰富的木质纤维素废弃物，具有多种农业和工业用途。虽然已有大量研究致力于将其作为低成本MFCs的原料，但针对酿酒酵母的MFCs的研究较少。因此，本研究首先探讨了酿酒酵母在单培养及与两种细菌大肠杆菌和枯草芽孢杆菌共培养条件下的生长行为，然后评估了使用不同糖浓度的稻草水解物接种的MFCs的性能。这些目标旨在探讨共培养菌种和底物浓度对酿酒酵母在稻草水解物中生长的影响，并确定共培养是否能够提高基于木质纤维素生物质的MFCs的功率输出。

部分摘录

生物材料

酿酒酵母由越南胡志明市科技大学生物与生物技术学院分子与环境生物技术系提供，大肠杆菌 BRBC 51534（ATCC 33694）和枯草芽孢杆菌 ATCC 6051由台湾伊兰大学生物资源学院生物技术及动物科学系提供。酿酒酵母、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的种子培养是通过将储备培养物接种到相应培养基中制备的

稻草粉及其水解物的组成

列出了稻草粉的化学成分。本研究与其他文献[21], [22], [23], [24]中总碳水化合物含量的差异可能源于稻草品种和种植地点的不同，而其他成分的差异可能由于原料处理方法的不同所致。预处理后的稻草粉形成棕色浆液，上层水液中含有还原糖。过滤浆液后的水液呈浅棕色

结论

本研究初步探讨了细菌共培养和底物浓度对酿酒酵母在稻草水解物中生长行为的影响，以及在微生物燃料电池（MFCs）中的共培养效果。在模拟MFC条件的实验中，枯草芽孢杆菌被证明是比大肠杆菌更合适的共培养伙伴，因为酿酒酵母-枯草芽孢杆菌共培养提高了酵母的存活率

CRediT作者贡献声明

Hue-Ngan Dai：撰写初稿、验证、概念构思。Anh Phan-Hoang Nguyen：验证、数据整理。Phuoc-Dien Phan：验证。Tam-Anh Duong Nguyen：验证。Chin-Tsan Wang：撰写、审稿与编辑、验证、监督、概念构思。

致谢

作者感谢国家科学技术委员会（NSTC）提供的研究资助：NSTC 112-2221-E-197-013-MY3、113-2222-E-197-003-MY3和114-2622-E-197-001。