生物生成的FeS改变了微生物间的相互作用，从而调控了在以CO?为原料的微生物电合成过程中乙酸的生成

《Bioresource Technology》：Biogenic FeS Reshapes microbial interactions to regulate acetogenesis in CO 2-Fed microbial electrosynthesis

CO2至乙酸转化效率通过引入Shewanella oneidensis MR-1诱导生物FeS合成提升至1330.6 mg/L，碳回收率达62.9%。FeS调控微生物群落互作，富集产乙酸菌和Fe/S转化菌，重构氧化还原代谢途径，促进功能协同而非竞争互作。

　　

吴慧星|王涵|满帅帅|严群

江南大学环境与生态学院，中国无锡214122

摘要

在微生物电合成（MES）过程中，电子转移效率低下和微生物群落协调性差常常限制了CO₂向乙酸的有效转化。本研究引入了Shewanella oneidensis MR-1菌株，以在阴极处诱导生物生成FeS，从而调节微生物间的相互作用并促进乙酸生成。在以乙酸生成为主导的条件下（RAT：污泥与MR-1的比例为2:1，Fe/S = 5/10 mM，初始MR-1接种量），乙酸产量达到了1330.6 mg L^?1，碳回收效率为62.9%。群落和宏基因组分析表明，FeS选择性地富集了乙酸生成菌和Fe/S转化微生物，并重构了与氧化还原代谢和能量保存相关的功能途径。共现网络分析进一步揭示，FeS促进了协调的、功能导向的微生物相互作用，而非竞争性关联。本研究强调了生物生成FeS在连接电子转移与微生物合作中的作用，为通过群落层面调控提升MES性能提供了机制基础。

引言

由于人类活动导致的大气二氧化碳（CO₂）浓度持续上升，人们越来越关注能够将CO₂转化为高附加值产品的技术，而不仅仅是将其视为废物（Chung等人，2024年）。这些需求加剧了开发能够有效管理CO₂排放并减少其在大气中积累的技术的紧迫性。碳捕获与利用（CCU）技术通过将CO₂转化为工业化学品和可再生能源载体等有价值的产品，提供了一条有前景的途径（Bian等人，2018年）。在各种CCU方法中，微生物电合成（MES）通过将微生物代谢与电化学能量输入相结合，引起了越来越多的关注（Kim等人，2022年）。与传统的热化学过程（如Sabatier反应）相比，MES在较温和的条件下运行，并已被应用于生产多种化合物，包括有机酸、醇类和生物燃料（G?tz等人，2016年；Kracke等人，2020年；Wei等人，2025年）。尽管具有这种潜力，但由于微生物获取和利用来自阴极的电子的能力有限（Yoo等人，2025年），MES的整体效率仍然受到限制。

鉴于对电子供应的依赖性，改进细胞外电子转移（EET）已成为MES发展的核心挑战。先前的研究探索了使用可溶性氧化还原介质（如亚甲蓝、核黄素和醌类）来促进细胞外电子转移（EET）（Zhang等人，2024a）。虽然这些化合物可以增强电子传递，但其实际应用常常受到不稳定性的限制，以及在不复杂的微生物系统中的细胞毒性和长期可持续性的局限（Huo等人，2024年）。这些局限性促使人们越来越关注依赖固相或原位生成的氧化还原活性材料的替代策略，这些材料能够在微生物环境中持久存在并与细胞紧密相互作用。生物生成的硫化铁（FeS）通过微生物介导的铁和硫转化形成，最近被认为可能是生物电化学系统中电子传递的潜在促进剂（Narayanan和Sakthivel，2010年）。由于其氧化还原活性、电导率和生物相容性，生物生成FeS被认为能够在微生物系统中提供有利的电子交换界面（Yu等人，2020年）。与外部添加的介质不同，原位生成的FeS可以整合到阴极和微生物细胞的局部微环境中，可能不仅影响电极到细胞的电子传递方式，还影响不同功能微生物之间的电子流动（Jiang等人，2014年；Kondo等人，2015年）。然而，在混合培养的MES系统中，尚不清楚生物生成FeS如何影响微生物群落的组装，以及其形成是否促进了CO₂还原过程中乙酸生成菌、铁转化微生物和硫转化微生物之间的协调相互作用。

另一方面，自然和工程环境中的生物生产过程通常是由微生物间的合作相互作用而非单一物种的孤立活动所主导的（Luo等人，2025年；Zhang等人，2025年）。这种相互作用尤为重要，因为微生物过程依赖于合作行为，如代谢互补性、交叉喂养和电子共享，这些行为产生了超越单个物种的群落级功能，这一点通过共现模式得到了支持，表明存在稳定的代谢依赖性（Kost等人，2023年；Peng等人，2024年；Ponomarova和Patil，2015年）。先前的研究表明，在MES阴极中，S. oneidensis MR-1（硫还原微生物）和乙酸生成菌表现出正相关关系，共同促进了CO₂向乙酸的转化（Wu等人，2024年）。然而，生物生成FeS对这些关联的具体贡献，以及其对阴极群落中微生物组成、功能潜力和相互作用模式的影响，尚未得到系统研究。

在本研究中，我们调查了在原位生物生成FeS介导的CO₂向乙酸转化过程中微生物的反应。首先，我们评估了关键操作参数（包括微生物混合比例、Fe/S添加水平和S. oneidensis MR-1接种时间）对MES性能的影响。然后，我们利用16S rRNA基因测序和宏基因组分析来分析微生物群落结构和功能潜力的变化，并通过共现网络分析来评估乙酸生成过程中的相互作用模式。最后，我们将这些发现整合起来，提出了一个机制框架，描述了生物生成FeS如何与微生物群落重构和功能协调相关联，从而共同促进了MES系统中的乙酸生成。

实验程序

从Genencor（中国）生物制品有限公司的UASB反应器底部收集了厌氧颗粒污泥，并在121°C下热处理30分钟以灭活甲烷生成菌（Zhu和Beland，2006年）。热处理后的污泥被转移到一个体积为0.8 L、顶部空间为0.2 L的发酵瓶中，并在CO₂和H₂（1:2）的混合气体下进行驯化，直到实现稳定的乙酸生成。Shewanella oneidensis MR-1（CICC25104）

生物生成FeS对MES性能的影响

反应器根据不同的操作条件进行标记，如图1a所示。实验第8天，从RAT和R1反应器中收集污泥样本进行物理化学表征，以验证乙酸生成过程中FeS的形成和存在。如图S1所示，Fe 2p光谱在709.8和712.1 eV处显示出特征峰，分别对应于Fe²⁺ 2p_3/2和Fe³⁺ 2p_3/2，以及在723.5和727.3 eV处出现的Fe峰

结论

研究表明，由Shewanella oneidensis MR-1原位生成的生物生成FeS作为关键调控元素，塑造了阴极微生物的组织结构并增强了MES系统中的乙酸生成。FeS的参与促进了乙酸生成菌和Fe/S转化微生物的协调富集，同时提高了NAD⁺/NADH的水平以及CODH和ACS活性，从而共同支持了通过Wood–Ljungdahl途径更有效的CO₂固定。功能和网络分析表明

CRediT作者贡献声明

吴慧星：撰写——原始草稿、方法学、研究、数据分析、数据管理。王涵：研究。满帅帅：验证。严群：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2017YFE9133400）、国家自然科学基金（编号22476070、51908245）以及江苏省水处理技术与材料协同创新中心预研基金（XTCXSZ2020-3）的资助。