氢氧化细菌在微生物电解蛋白生产细胞系统中增强微生物蛋白生产

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhancement of microbial protein production via hydrogen oxidizing bacteria in microbial electrolytic protein-production cell system

　　

微生物蛋白（MP）被视为潜在的蛋白质来源。为强化MP生产过程，研究人员探索了碳转化、固氮及电子传递途径。在本研究中，研究人员创新性地结合了微生物电解池（MEC）与氢氧化细菌（HOB），实现了原位MP生产，构建了微生物电解蛋白生产细胞（MEPPC）。在0.4 V和0.8 V条件下，细胞干重（CDW）产量分别达到1.93 g/L和1.95 g/L，必需氨基酸比例超过40%。在MEPPC系统中，电压刺激建立了Arcobacter和Alcaligenes的优势地位，其丰度与MP产量呈正相关，暗示碳可能被重新导向MP合成。基于基因组潜能分析（PICRUSt2），研究人员解析了电子传递的关键酶和功能基因，表明在0.4 V或0.8 V外加电压下，直接电子传递（DET）和间接电子传递（IET）途径可能均被激发。尤其在DET过程中，铁氧还蛋白氧化还原酶的丰度显著增加（12.90%-53.56%），以增强电子转化。高电压（≥1.2 V）同时削弱了HOB的活性。因此，在MEPPC系统中建立了电化学生产的“Goldilocks区间”（即0.4-0.8 V），在此区间控制过电位可驱动DET和IET的进化，从而提高MP生产效率。

**研究背景与问题**
随着全球人口增长，粮食需求持续上升，而蛋白质合成所需的关键反应性氮（如NO₂^-、NO₃^-、NH₄⁺）面临日益严重的短缺。尽管哈伯-博斯法（Haber-Bosch process）大幅提升了反应性氮的产量，但氮转化为蛋白质的效率仅4%-14%，未能从根本上解决供需矛盾。联合国粮农组织（FAO）预测，到2050年氮肥需求将增加50%以上，同时环境氮损失增加70%。因此，提高反应性氮向蛋白质的转化效率，可优化自然界的氮循环，缓解蛋白质供应压力。微生物蛋白（MP）作为一种可持续蛋白质来源，通过培养藻类、细菌、真菌或酵母获得，其氨基酸谱与动物蛋白相似，且生物利用度和消化率更优。氢氧化细菌（HOB）是一类典型的兼性自养菌，能灵活切换自养、异养和混养代谢模式，利用H₂（电子供体）和O₂（电子受体）固定CO₂并同化氨氮生成蛋白质。微生物电化学系统（MES）因其高效低成本，为强化MP生产提供了平台。然而，现有系统主要讨论离子迁移过程，对电子刺激下MP生产的生化机制认识不足，HOB群落的电子传递途径尚不明确。为此，研究人员在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表论文，构建了微生物电解蛋白生产细胞（MEPPC）系统，旨在探究最优外加电压条件，并深入分析电子传递过程，以实现MP产量与质量的双重最大化。

**关键技术与方法**（不超过250字）
研究人员构建了基于三室微生物电解池（MEC）的MEPPC系统，阳极室预培养电活性微生物（附着于碳刷），阴极室用于HOB生产MP，阴阳极室由阳离子交换膜分隔，阴极电极采用石墨板（2 cm × 4 cm × 0.5 cm）。通过施加不同外加电压（0、0.4、0.8、1.2、1.6 V）运行，监测H₂和CO₂累积消耗量、细胞干重（CDW）、NH₄⁺-N同化效率及氨基酸组成。基于16S rRNA基因测序数据，利用PICRUSt2软件推断宏基因组潜能，分析电子传递相关酶和功能基因（包括直接电子传递（DET）和间接电子传递（IET）途径）。关键方法包括：电化学参数控制、气体消耗监测、微生物群落分析（Arcobacter、Alcaligenes等优势菌属丰度）、PICRUSt2功能预测。

**研究结果**

**3.1 不同外加电压下HOB的性能**
通过测量H₂和CO₂累积消耗量，发现所有反应器中两种气体的消耗均呈稳定上升趋势，仅存在约1天的短暂滞后期，表明HOB对环境适应性强。0.4 V电压下H₂消耗最高（9.0 L/L），显著高于0.0 V组，说明该电压条件最有利于HOB自养代谢。

**3.2 外加电压对MP生产的影响**
0.4 V和0.8 V条件下，CDW产量分别达1.93 g/L和1.95 g/L，必需氨基酸比例超过40%，均优于0.0 V组。0.4–0.8 V区间被确定为促进MP合成的合适电压范围。高电压（≥1.2 V）则抑制HOB活性，降低CDW和氨基酸产量。

**3.3 电子传递途径分析**
基于PICRUSt2分析基因组潜能，0.4 V和0.8 V下直接电子传递（DET）和间接电子传递（IET）途径相关酶和功能基因丰度均增加。尤其在DET过程中，铁氧还蛋白氧化还原酶丰度显著上升12.90%-53.56%，增强了电子转化。这表明电压刺激可同时激活两种电子传递模式。

**3.4 外加电压强化MP生产的机制**
电压刺激建立了Arcobacter和Alcaligenes的优势地位，其丰度与MP产量正相关，暗示碳代谢流可能被重新导向MP合成。控制过电位在0.4–0.8 V（“Goldilocks区间”）可驱动DET和IET的协同进化，从而提高MP生产效率。高电压（≥1.2 V）则抑制HOB关键酶活性，削弱整体生产效能。

**总结与讨论**
研究证实，MEPPC系统中存在一个最佳电压区间（0.4–0.8 V），在该区间内HOB的合成活性显著增强，CDW产量和必需氨基酸比例均达到较高水平。电压通过调控微生物群落结构（促进Arcobacter和Alcaligenes优势）和电子传递途径（DET和IET双重激活）来优化MP生产。过低的电压不足以驱动充足电子流，而过高的电压则对HOB产生毒性抑制。因此，“Goldilocks区间”的建立为电化学生产提供了可控策略。

**研究结论部分翻译**
（i）在0.4 V和0.8 V条件下，与0.0 V组相比，HOB的合成活性显著增强，CDW产量分别达到1.93 g/L和1.95 g/L，必需氨基酸比例超过40%，表明0.4–0.8 V是促进HOB合成MP的合适电压范围。（ii）外加电压通过优化电子传递途径（包括DET和IET）和微生物群落结构（Arcobacter和Alcaligenes丰度增加），强化了MP生产。该研究为微生物电解蛋白生产系统的高效运行提供了理论依据。