01
遇见/摘要
生物电化学系统（BES）作为可持续能源应用的新能源解决方案，在固碳固氮、清洁能源开发、环境和健康监测、可穿戴/植入式设备供电、可持续化学品生产等方面中发挥着关键作用。研究人员为利用废水和海洋沉积物中的各种复杂有机物发电做出了大量努力。而作为一种丰富的可再生资源，白酒工业废弃的纤维素生物质是电能生产的一种有前途的替代物。在过去十年中，研究人员对利用纤维素生物质进行微生物发酵生产生物能源和生物燃料产生了极大的兴趣。然而，由于缺乏相关的代谢途径和酶，电活性微生物通常无法利用纤维素进行细胞生长和发电，这极大地限制了其实际应用。
近日，天津大学李锋和宋浩教授团队在国际综合性期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》（Q1）发表题为“Engineering artificial three-species microbial consortium to produce high-power bioelectricity from discarded cellulosic biomass of liquor industry”（https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c04119）的研究。该研究得到了国家重点研发计划（2018YFA0901300），国家自然科学基金项目（32060017, 32001034和22478293）。天津大学化工学院汤睿助理研究员和张保财博士为论文共同一作，天津大学化工学院李锋、宋浩教授、内蒙古工业大学刘占英教授、宁夏大学辛国省教授为论文通讯作者。
02
遇见/内容
为了利用废弃的纤维素生物质发电，该团队理性设计了基于底物级联反应的人工三菌微生物群落。在该人工微生物群落中，Trichoderma reesei将纤维素分解为可溶性糖葡萄糖和纤维素二糖，经Lactobacillus pentosus转化为乳酸，然后Shewanella oneidensis利用乳酸作为电子供体发电（图1）。
为构建高效稳定的产乳酸菌群，对纤维素降解菌T. reesei和产乳酸菌L. pentosus进行了组装。通过分析接种量、反应温度和pH等条件，提高了纤维素的降解和乳酸的生产，使乳酸产量达到1.404 g/L（图2）。
图2 提高亚微生物群落T. reesei-L. pentosus乳酸的生产
希瓦氏菌有限的胞外电子传递速率和低效的生物膜形成，显著限制了人工三菌微生物群落的电能输出。通过引入Bacillus subtilis来源的黄素合成基因簇ribADEHC，同时表达来自Pseudomonas aeruginosa的胞外多糖合成基因aflv_2491，同时加强了电子shuttle黄素的合成和生物膜的形成，使该人工微生物群落输出功率密度达到453.52 mW/m2（图3）。
通常，天然生物膜仅在MFC的阳极表面形成相对较薄的细胞层，从而限制了EET性能的提高。为了进一步提高电活性生物膜的厚度和导电性，通过将导电材料氧化石墨烯（GO）和碳纳米管（CNTs）与人工微生物群落整合，建立了工程化的3D自组装生物杂合体，显著提高了阳极电活性菌生物膜的厚度和丰度，从而实现了最大输出功率密度为816.93 mW/m2，比野生型微生物群落高62.84倍，这是目前已报道的最高输出功率密度（图4）。
综上所述，该研究依据劳力分工、菌群适配的设计原则，通过平衡微生物间物质和能量代谢，构建了人工三菌微生物群落，成功开发了利用白酒工业废弃纤维素生物质高效产电的策略。该研究构建的人工微生物群落将在复杂和可再生生物质发电方面展现出巨大潜力。
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遇见/致谢
感谢宋浩教授/李锋副教授课题组对本号的支持，感谢该课题组提供本文稿件支持！
1. Cell子刊Joule｜天津大学李锋/宋浩团队：电遗传技术助力异丁醇电发酵接近理论产率！
2. 天大宋浩/李锋团队Advanced Science｜工程细胞形态变长提高微生物胞外电子传递速率
3. 天大李锋/宋浩团队CEJ：阐明电能细胞形态工程促进胞外电子传递机制
遇见生物合成
合成生物学/天然产物生物合成
姊妹号“生物合成文献速递”
