例如，在微生物电合成中，微生物利用 CO2 和电来生产酒精。然而，这个过程在生物学上是如何运作的，直到现在才被推测出来。莱布尼茨天然产物研究和感染生物学研究所 (Leibniz-HKI) 的研究人员现在首次通过实验证实，这种细菌利用来自氢的电子，并且可以产生比以前已知的更多的化学物质。

在气候变化和能源转型的背景下，微生物电合成是一项很有前途的技术：它可以结合二氧化碳，生产乙醇和其他可用作燃料的有机化合物，从而储存多余的电力。然而，这项已经为人所知十多年的技术，至今未能在商业化方面取得任何重大突破。

Leibniz-HKI Bio Pilot Plant 负责人 Miriam Rosenbaum 表示，这主要是因为“迄今为止，该过程背后的生物学一直被视为一种黑匣子。” 这位生物化学家担任耶拿弗里德里希席勒大学合成生物技术系主任，长期以来一直致力于解决微生物电合成 (MES) 过程中到底发生了什么的问题。

她的团队现在恰恰在这一领域取得了突破：研究人员能够证明细菌不会直接吸收电流提供的电子，而是利用氢来转移电子。长期以来，人们一直怀疑这是一种可能性，但直到现在还没有人提供实验证据。他们还发现，该方法可以生产出比之前认为的更有用的化学物质，并优化了工艺以获得尽可能高的产量。

受控条件

在 MES 中，向含有微生物的营养水溶液通电，同时加入二氧化碳。微生物利用电能和碳来生产有机化合物，例如乙醇或乙酸盐。为此，他们使用了提供的电子——但之前并不清楚如何使用。

“有一项研究假设微生物直接使用电子，”罗森鲍姆说。然而，这个假设没有得到证实。罗森鲍姆认为微生物更有可能使用氢气进行生物合成。这是因为当施加电和二氧化碳时，发生的事情与传统电解中的情况相同：水被分解为氢气和氧气。

“到目前为止，还没有人真正直接测量过系统中的氢气，”该研究的第一作者圣地亚哥博托解释道。因此，他设置了 MES 反应器，以便他可以精确控制所有参数。为此，他使用了一种纯培养物，其中含有不同浓度的Clostridium ljungdahlii细菌。此外，他还可以控制电流并使用微型传感器测量电极产生的氢气和从液体中逸出的氢气。

“通过我们的设计，我们能够收集到一些证据表明细菌正在使用氢气，”博托说。当营养培养基中的细菌浓度使得它们在阴极上形成生物膜并且在电极环境中可测量到很少的氢时，细菌的活性显着降低。当电压不足以进行电解时，也会发生这种情况。只有当浮游生物(即自由游动的细菌)从电极中自由获得氢气时，它们才会表现出高活性。

发现新的生物合成途径

通过这种方式，研究团队能够优化电压和细菌浓度，以获得尽可能高的醋酸盐产量。“我们的纯细菌培养物达到了迄今为​​止最高的醋酸盐值，”博托说。作为一个副作用，他还发现形成了细菌通常不会产生的氨基化合物。与莱比锡环境研究中心的 Falk Harnisch 合作，这项工作还表明，营养介质和阴极之间发生了以前也没有描述过的反应，显然加速了合成过程。

该团队现在希望进一步优化流程，并专门探索以前的发现。“氨基化合物对化学工业来说非常有趣，我们使用的细菌也已经投入工业使用。我们可能因此发现了一种新的生产此类化学品的方法，”博托说。总的来说，结果应该有助于使 MES 在商业上可行。罗森鲍姆说：“我预计，当我们最终也关注生物学时，我们将在未来几年看到这项技术的强劲增长。” Bio Pilot Plant 正在就此展开合作，并与工艺工程师合作为 MES 开发更大的反应器。

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