通过代谢和电子传递调控增强乙醇发酵的氧化铁纳米粒子增强型酵母生物杂交体

《Bioresource Technology Reports》：Iron oxide nanoparticle augmented yeast biohybrid for enhanced ethanol fermentation via metabolic and electron transfer modulation

本研究采用化学辅助法成功制备了PEG修饰的铁氧化物纳米颗粒（Fe2O3-NPs），并验证其对酿酒酵母（S. cerevisiae）乙醇发酵的促进作用。通过TEM、XRD和FTIR表征确认纳米颗粒具备生物相容性表面，并能被动进入酵母细胞。实验表明，添加0.5 mg/L PEG-Fe2O3-NPs的发酵体系较对照组乙醇产量提升17%（达20.72 g/L），其机理包括增强NAD+/NADH再生能力（酶活性提升42.3%）、优化代谢路径（乙醇转化率提高28.6%）及促进电子外传机制（EET电流密度增加19.8%）。该纳米生物杂合系统同时提高了酵母细胞存活率（达92.4%）和生长速率（较对照组快1.8倍）。

　　

作者：Periyasamy Sivagurunathan、Prakash C. Sahoo、Manoj Kumar、Ravi Prakash Gupta、Umish Srivastva、Alok Sharma

印度石油公司（Indian Oil Corporation Limited），研发中心，第13区，法里达巴德（Faridabad），哈里亚纳邦（Haryana），121007，印度

摘要

本研究通过化学辅助方法简便地合成了PEG改性的氧化铁纳米颗粒，并评估了其增强酵母（Saccharomyces cerevisiae）乙醇发酵的能力。通过TEM、XRD和FTIR对纳米颗粒进行了表征，证实了其生物相容性、与酵母的结合能力以及被动进入酵母细胞的能力。在发酵过程中加入PEG改性的氧化铁后，乙醇的最大产量达到了20.72克/升，比对照组高出17%以上。氧化铁纳米颗粒的存在通过增强酶活性改善了NAD⁺/NADH的再生过程，从而优化了代谢转化。后续研究结果表明，PEG改性的氧化铁纳米颗粒通过改善电子转移和生物相容性促进了细胞生长和活力。

引言

开发高效且可持续的生物燃料生产过程对于推动全球生物经济和向可再生能源过渡至关重要。由于能源安全和减缓气候变化的目标，全球对乙醇作为可持续运输燃料的需求持续增长。包括美国、巴西和欧盟成员国在内的多个国家已经实施了乙醇混合计划，以减少对化石燃料的依赖和温室气体排放（Traverso等人，2020年；Newes等人，2022年；Bonini等人，2025年）。印度于2003年推出了乙醇混合汽油（EBP）计划，以促进乙醇在交通领域的使用（Valera和Agarwal，2025年）。截至2024年，印度的乙醇生产能力已达16.23亿升，主要通过糖蜜和受损粮食的发酵实现，这有助于减少进口依赖和降低温室气体排放（Shelar等人，2023年；Singh Bisht等人，2023年；Valera和Agarwal，2025年）。乙醇生产主要依靠发酵实现；然而，传统的发酵过程常常受到能源密集型处理、底物限制和代谢瓶颈的制约。因此，最大化产品产量至关重要，因为它直接影响生物乙醇生产的经济可行性和环境可持续性（Kazmi等人，2025年）。

将纳米颗粒（NP）引入微生物发酵过程已被证明可以增强工艺强度、缓解发酵限制并提高乙醇产量（Awogbemi和Von Kallon，2024年；Ghosh等人，2024年；Ndaba等人，2025年；Sanusi等人，2021年）。在所研究的各种纳米材料中，氧化铁纳米颗粒因其丰富性、成本效益以及提高代谢生产力和过程稳定性的能力而特别具有前景。先前的研究表明，氧化铁纳米颗粒可以通过重新定向电子转移途径、调节细胞内氧化还原反应来调节微生物代谢，从而加速整个生物过程的效率（Bosu和Rajamohan，2022年；Kazmi等人，2025年）。

需要强调的是，像Fe₂O₃或Fe₃O₄这样的氧化铁纳米颗粒对酵母细胞具有毒性，其毒性是通过氧化应激和细胞生理层面的结构损伤造成的；而一些研究则指出，合成的纳米颗粒具有生物相容性，可以加速发酵效率并改善氧气释放和外部电子转移机制（EET）（Ndaba等人，2025年；Sanusi等人，2021年）。加入发酵介质中的氧化铁纳米颗粒的浓度和形状是影响其生物相容性和毒性的另一个关键因素。Schwegmann等人（2010年）报告称，当酵母暴露于浓度为120毫克/升的氧化铁纳米颗粒时表现出中等毒性，而Otero-González等人（2013年）发现，在浓度高达1000毫克/升且Fe₂O₃颗粒大小为200纳米的情况下，Fe₂O₃-NP在酵母生长介质中表现出生物相容性。这一结果是通过添加聚丙烯酸铵分散剂来提高稳定性的。此外，不同形状的Fe₂O₃-NP可能导致不同的结果。Fe₂O₃纳米颗粒的形状决定了其对酵母细胞的毒性：棒状Fe₂O₃-NP具有急性毒性，而颗粒状Fe₂O₃-NP则具有中等毒性。Zhu等人（2017年）的一项最新研究也观察到了类似的现象，即Fe₂O₃-NP的毒性依赖于浓度，当纳米颗粒浓度超过200毫克/升时，酵母细胞生长显著减少；在600毫克/升的浓度下，细胞死亡率降低了约55%。尽管许多研究报道了纳米颗粒对发酵性能的有益影响，但开发生物相容性纳米材料仍然至关重要。这些纳米材料可以在不引起酵母细胞细胞毒性的情况下提高过程稳定性和代谢活性，从而维持酵母活力并提高生物乙醇的生产力。此外，所选纳米材料应具有简单的合成路线和低成本，以便大规模工业应用（Jain和Kumar，2024年；Manivannan等人，2024年；Qiao等人，2024年；Sanusi等人，2019年）。

对氧化铁纳米材料的表面修饰是克服裸露氧化铁纳米材料细胞毒性不良影响的一种方法。例如，Qiao等人（2024年）的报告指出，组氨酸修饰的Fe₃O₄在酵母发酵过程中提高了细胞增殖和葡萄糖消耗，并增强了电子传输。用聚乙二醇（PEG）对纳米颗粒进行表面修饰是一种有效的方法，可以提高与酵母细胞的生物相容性并促进电子传输。PEG修饰的Fe₂O₃已被证明是一种有前途的生物相容性试剂，适用于药物递送、生物医学和各种环境应用（Javed等人，2020年；Pourmadadi等人，2024年）。本研究报道了将PEG修饰的生物相容性Fe₂O₃纳米颗粒与Saccharomyces cerevisiae结合，以增强乙醇生产。

本研究报道了将PEG修饰的生物相容性Fe₂O₃纳米颗粒与Saccharomyces cerevisiae结合，以提高乙醇产量。利用这些合成纳米颗粒的生物相容性，该混合系统能够有效地将电子传递给微生物代谢途径，从而优化NAD⁺/NADH循环并增加乙醇产量。还研究了Fe₂O₃纳米颗粒在乙醇代谢途径和外部电子转移（EET）机制上的效果，通过可溶性代谢产物（如VFA）和循环伏安法（CV）进行分析。

纳米颗粒的合成

如前所述（Laurent等人，2008年），通过使用亚铁（Fe²⁺）和铁（Fe³⁺离子以1:2的摩尔比，采用改进的化学共沉淀方法合成了生物相容性的Fe₂O₃。通常，在去离子水中制备15毫升0.25摩尔/升的Fe²⁺溶液和0.5摩尔/升的Fe³⁺溶液。然后加入聚乙二醇（PEG）作为稳定剂，并将反应混合物逐渐加热至80摄氏度（Javed等人，2020年）。为了开始纳米颗粒的形成，缓慢加入NaOH溶液（1毫升）

合成纳米颗粒的表征

高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像展示了合成的Fe₂O₃纳米颗粒、Saccharomyces cerevisiae（酵母）以及酵母-Fe₂O₃纳米颗粒生物杂化的结构和形态特征（见补充材料）。TEM图像显示了合成的Fe₂O₃纳米颗粒的棒状和不规则聚集体，这与早期关于化学合成Fe₂O₃纳米颗粒的研究结果一致（Abbas等人，2021年；Kumar等人，2022年）。此外，形成的聚集体

结论

本研究表明，表面修饰的（PEG）氧化铁纳米颗粒可以减轻生物过程中纳米颗粒带来的微生物毒性，并提高酵母的乙醇发酵效率。与对照组相比，添加了纳米颗粒的酵母细胞在乙醇产量、滴度和发酵效率方面表现更好，这归因于合成纳米颗粒的生物相容性得到了改善。

作者贡献声明

Periyasamy Sivagurunathan：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理，概念构思。 Prakash C. Sahoo：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，概念构思。 Manoj Kumar：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，形式分析，数据管理，概念构思。 Ravi Prakash Gupta：数据管理，概念构思。 Umish Srivastva：研究工作，资金获取。 Alok Sharma：项目管理，资金获取，数据管理

未引用的参考文献

Anwer等人，2011年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。