《Bioresource Technology Reports》：Growth kinetics of
Rhodococcus rhodochrous MTCC 3552 in a biphasic desulfurization process with dual heterologous (carbon and organosulfur) substrates
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本研究探究了Rhodococcus rhodochrous MTCC 3552在双相系统中利用葡萄糖和DBT/4,6-DMDBT作为碳硫底物的生长动力学，通过动力学模型分析得出生长率系数和底物利用效率差异，揭示了不同硫底物浓度对微生物代谢途径的协同影响。
Pushpita Das | Kuldeep Roy | Divyansh Adha | Lepakshi Barbora | Vijayanand Suryakant Moholkar
印度古瓦哈提理工学院能源科学与工程学院，古瓦哈提，781 039，阿萨姆邦，印度
摘要
本研究报道了在双相系统中使用葡萄糖作为碳源，二苯并噻吩（DBT）或4,6-二甲基二苯并噻吩（4,6-DMDBT）作为硫源，对Rhodococcus rhodochrous MTCC 3552菌株生长动力学的研究。通过基于双营养控制生物量生长的动力学模型分析了细胞生长和底物消耗的时间曲线。当初始浓度为100 mg L?1的DBT和4,6-DMDBT时，碳源和硫源的最高生物量产率系数（YX/S）分别为0.233和6.849；而当初始浓度为200 mg L?1的4,6-DMDBT时，这两个系数分别为0.106和2.563。动力学参数的比较分析表明，在不同硫源浓度下，细菌的生长和对底物的亲和力存在显著差异。在100和200 mg L?1的浓度下，葡萄糖对原始菌株的亲和力对于DBT和4,6-DMDBT几乎是相同的。随着初始浓度的增加，两种硫源对原始菌株的亲和力均降低；在相同的初始浓度下，DBT的亲和力高于4,6-DMDBT。随着底物浓度的增加，葡萄糖与含硫化合物结合的菌株对葡萄糖的亲和力降低，尽管4,6-DMDBT的降低幅度较小。两种硫源对与葡萄糖结合的菌株的亲和力变化较小。特定生物量生长速率（k5）随硫浓度的增加而降低，其中DBT促进的生长速率高于4,6-DMDBT。基于实验结果和动力学建模的同步解释，本文提出了碳代谢途径和硫代谢途径之间潜在代谢联系的推测性评估。
引言
原油是液体运输燃料（包括柴油、汽油和航空燃料）的主要来源。为了减轻车辆尾气中
SOx排放对环境的不利影响，许多国家对液体燃料中的硫含量实施了严格限制，范围从10到15 mg L?1（Das等人，2025年）。生物脱硫是传统加氢脱硫的潜在环保替代方法，用于石油燃料的深度脱硫。对于工业规模的操作，基于4S代谢途径的生物脱硫过程特别受到关注（Kilbane II，1990年）。该途径涉及在保持碳-碳骨架完整的情况下，断裂硫源中的C
S键（Oldfield等人，1997年）。Rhodococcus属的微生物物种（如流行的Rhodococcus rhodochrous菌株）利用了4S（硫特异性）代谢途径（Andler等人，2025年；Parveen等人，2025年；Wu等人，2026年）。通过4S途径进行生物脱硫需要电子供体分子，如NADH或NADPH。通常，1 mol二苯并噻吩（DBT）的生物脱硫需要4 mol NADH。由于底物的碳骨架在4S途径中保持完整，它无法分解进入核心碳代谢途径（如糖酵解或三羧酸循环），因此4S途径不太可能产生还原当量（NADH/FADH2）或通过氧化磷酸化产生ATP，从而在能量上不足以支持正常的细胞生长。因此，可能需要在水相中提供额外的碳源，以满足微生物的细胞功能（如生物量生长和NADH/NADPH的产生）的能量需求。实际的生物脱硫过程包括一个双相系统（或称两相系统），该系统由含有微生物细胞的水相和含有硫源的有机相（油）组成（Ahmad等人，2023年；Mamuad和Choi，2023年）。大规模设计生物脱硫过程需要全面了解系统的动力学特性，特别是底物消耗和生物量生长。Malani等人发表了一篇关于使用微生物培养物进行脱硫的动力学建模的综述（Malani等人，2021年）。以往关于微生物脱硫动力学建模的研究主要集中在以二苯并噻吩（DBT）作为唯一有机硫源的消耗时间曲线上（Abin-Fuentes等人，2014年；Alcon等人，2008年；Calzada等人，2012年；Martínez等人，2017年）。许多作者研究了以DBT作为唯一有机硫源的生物脱硫过程中的生物量生长动力学（Dejaloud等人，2020年；Jatoi等人，2021年；Maass等人，2015年；Nassar等人，2017年）。其他研究还考察了在不同介质组成下的微生物生长动力学，并在微生物细胞达到静止阶段后分析了生物脱硫的动力学。这些研究也在单相水系统中使用DBT作为唯一的有机硫源（Dejaloud等人，2017年；Del Olmo等人，2005a；Del Olmo等人，2005b；Martin等人，2005年）。先前的作者在生物脱硫过程中使用了多种碳源，包括甘油、乙醇、琥珀酸钠和柠檬酸（Dejaloud等人，2017年；Del Olmo等人，2005a；Martin等人，2005年；Martzoukou等人，2025年）。据我们所知，此前没有研究尝试将Rhodococcus rhodochrous在双相系统中的生长动力学与硫源和碳源的同时摄入速率相关联。此外，关于使用DBT以外的硫源（如4,6-二甲基二苯并噻吩（4,6-DMDBT）的微生物生长动力学的文献也很有限（Deriase和El-Gendy，2010年）。本研究通过结合实验研究和动力学建模的方法，填补了现有文献中的知识空白。本研究中使用的双相异源模型系统使用正十六烷作为模型油相，葡萄糖作为均匀浓度的碳源，以及两种有机硫源之一（DBT或4,6-DMDBT），初始浓度不同，使用的微生物菌株为Rhodococcus rhodochrous MTCC 3552（IGTS8）。选择这种菌株是因为其独特的优点（Dimos等人，2025年；Martzoukou等人，2023年），包括能够降解广泛的有机硫化合物、较高的溶剂耐受性、适中的操作温度范围以及对底物和产物的显著抗性（Bagchi和Srivastava，2024年；Das等人，2024年；Dimos等人，2025年；Elias等人，2025年）。本研究的具体目标和方法如下：（1）实验确定双相系统中细胞生长和底物（碳和硫）的利用情况；（2）将实验数据拟合到动力学模型中，即双营养控制生长模型和Meege模型，以获得模型参数；（3）推测Rhodococcus rhodochrous中碳代谢途径和硫代谢途径之间的可能关系及其对微生物生长的综合影响。这些推测基于现有文献，并与实验和动力学建模结果一致（Alvarez，2010年；Hirschler等人，2021年；Nikiforova等人，2005年）。
部分摘录
微生物培养的维护与生长
Rhodococcus rhodochrous MTCC 3552（ATCC 53968）菌株购自印度昌迪加尔微生物技术研究所（IMTECH）的菌库。细胞在新鲜的营养肉汤（NB）培养基中培养，培养条件为pH 7、30°C和200 rpm的摇床搅拌。每月进行传代培养，细胞保存在-80°C的冰箱中，使用20% v/v的甘油。实验中使用的A2培养基的组成如下（以g?L?1计）：KH2PO4 = 6.3, K2HPO4
结果与讨论
如前所述，双相介质中的生物量生长实验使用了两种有机硫源DBT及其烷基衍生物4,6-DMDBT，初始浓度分别为100和200 mg L?1?1。通过从反应混合物中提取的样品的HPLC色谱图检测到2-HBP，确认了生物脱硫活性
结论
本研究揭示了Rhodococcus rhodochrous细胞在双相系统中的生长特性，在该系统中碳源和硫源同时存在。通过底物产率系数评估了生物量生长，并利用动力学模型分析了生长曲线，以深入了解微生物生长的生物物理方面。实验数据和模型推导参数的同步分析表明
CRediT作者贡献声明
Pushpita Das：撰写——原始草稿、验证、方法论、调查、正式分析、概念化。Kuldeep Roy：撰写——原始草稿、软件开发、正式分析。Divyansh Adha：撰写——原始草稿、正式分析。Lepakshi Barbora：监督、项目管理。Vijayanand Suryakant Moholkar：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念化。
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财务利益或个人关系。
