乙酸辅助的混合营养作用在电解气升反应器中用于增强氢氧化细菌的微生物蛋白质生产

《Biochemical Engineering Journal》：Acetate-Assisted Mixotrophy of Hydrogen-Oxidizing Bacteria for Enhanced Microbial Protein Production in an Electrolytic Airlift Reactor

氢氧化细菌在醋酸辅助兼养模式下通过电解空气提升反应器实现高效CO?固定和生物量生产，蛋白质含量达71.63%，氨基酸质量提升，Xanthobacter主导菌群促进可持续碳捕获与生物制造。

　　

张宇晓|高佳瑶|王梦梦|王云海|蔡文芳|郭坤

西安交通大学环境科学与工程学院，中国西安710049

摘要

氢氧化细菌（HOB）在“电力转化为蛋白质”的框架下成为有前景的微生物蛋白质（MP）生产菌。然而，自养培养受到生长速率低、二氧化碳固定能力有限以及蛋白质质量不佳的限制。本研究评估了HOB在自养、异养和乙酸辅助的混合营养模式下的表现。结果表明，混合营养模式显著提高了其性能：与自养相比，二氧化碳吸收率提高了211%，生物量产量增加了11-69%。在优化后的乙酸添加量（8-12 g/L）下，蛋白质含量达到71.63%，总氨基酸含量为71.8 g/100 g干细胞重量（CDW），超过了自养培养的效果。微生物群落分析显示，在中等乙酸条件下，Xanthobacter占主导地位，既保持了二氧化碳的固定又支持了高生物量的积累。该系统还实现了350 A/m2的最大电流密度，表明电子利用效率较高。总体而言，本研究表明，在电解空气提升反应器中采用乙酸辅助的混合营养模式是一种成本效益高的微生物蛋白质生产策略，为电力驱动的生物制造和可持续碳捕获提供了新的思路。

部分内容摘录

电解空气提升反应器的构建

电解空气提升反应器由未增塑的聚氯乙烯（UPVC）制成，底部为管状电解槽，顶部为阴极室（图1）。管状电解槽由管状阳极、管状阴极和直径7 cm、高度10 cm的管状阳离子交换膜（CEM）隔膜组成。阳极室体积为1 L，内含涂有IrO₂的钛网（直径9 cm，高度10 cm）。阴极室体积为4.2 L。

二氧化碳固定与生物量生产率

图2a比较了不同条件下的二氧化碳吸收率。与在整个批次过程中持续释放二氧化碳的异养模式不同，自养模式能够吸收二氧化碳。在混合营养模式下，当存在乙酸时，异养菌占主导地位；当乙酸耗尽时，自养菌开始占主导地位，二氧化碳固定能力增强。二氧化碳释放率随乙酸浓度的增加而增加，最高吸收率出现在8 g/L时。

结论

本研究表明，在电解空气提升反应器中采用乙酸辅助的混合营养模式显著提高了基于HOB的微生物蛋白质产量。与自养培养相比，生物量产量增加了69%，二氧化碳吸收率提高了211%。蛋白质含量和氨基酸质量也显著提升，达到了与传统蛋白质来源相当的水平。微生物群落的变化表明，在中等乙酸浓度下，Xanthobacter仍具有自养潜力。

CRediT作者贡献声明

蔡文芳：撰写、审稿与编辑、资金获取、数据管理、概念构思。 王云海：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取。 郭坤：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。 张宇晓：撰写初稿、方法设计、实验研究、数据管理。 王梦梦：数据可视化、方法设计。 高佳瑶：数据可视化、验证、方法设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号2024YFF0506400）和陕西省博士后科学基金（2024BSHSDZZ194）的财政支持。