在微生物電合成領域，微生物利用二氧化碳和電力來產生酒精等物質。直到最近，支撐這一過程的精確生物機制在很大程度上還是理論上的。現在，萊布尼茨天然產品研究和感染生物學研究所（Leibniz-HKI）的科學家們已經成功地通過實驗驗證了這些細菌利用來自氫氣的電子，並且能夠產生比最初想像的更廣泛的化合物。

作為緩解氣候變化影響和支持向可再生能源過渡的一個可行的解決方案，微生物電合成有可能結合二氧化碳，生產乙醇和其他可用作燃料的有機化合物，並因此儲存多餘的電力。儘管已經存在了10多年，這項技術還沒有在商業化方面取得重大進展。

據萊布尼茲-香港工業大學生物試驗廠的負責人Miriam Rosenbaum說，這主要是因為”迄今為止，這一過程背後的生物學被視為一種黑箱”。這位在耶拿的弗里德里希-席勒大學擔任合成生物技術主席的生物化學家，長期以來一直致力於研究在微生物電合成（MES）過程中到底發生了什麼。

在小型生物反應器中，研究人員可以精確控制微生物電合成的條件。

她的團隊現在正是在這一領域取得了突破： 研究人員能夠證明，細菌並不直接吸收電流提供的電子，而是利用氫氣來轉移電子。這一點長期以來一直被懷疑是一種可能性，但直到現在還沒有人提供實驗證明。他們還發現，這種方法可以生產出比以前想像的更多有用的化學品，並優化了這一過程，以獲得盡可能高的產量。

受控條件

在MES中，電力被施加到含有微生物的營養水溶液中，並同時加入二氧化碳。微生物利用電力和碳來生產有機化合物，如乙醇或醋酸。為了做到這一點，它們使用了所提供的電子–但以前並不清楚是如何做到的。

羅森鮑姆說：”有一項研究認為，微生物直接使用電子。”然而，這一假設並沒有被證實。羅森鮑姆認為更有可能的是，這些微生物利用氫氣進行生物合成。這是因為當電力和二氧化碳被應用時，所發生的事情與經典的電解是一樣的： 水被分成了氫氣和氧氣。

ljungdahlii梭狀芽孢桿菌

“到目前為止，還沒有人真正直接測量過系統中的氫氣，”該研究的第一作者圣迭戈·博托解釋道。因此，他設置了MES 反應器，以便他可以精確控制所有參數。為此，他使用了一種純培養物，其中含有不同濃度的Clostridium ljungdahlii 細菌。此外，他還可以控制電流並使用微型傳感器測量電極產生的氫氣和從液體中逸出的氫氣。

“通過我們的設計，我們能夠收集到一些細菌正在使用氫氣的證據，”博託說。當營養培養基中的細菌濃度使得它們在陰極上形成生物膜並且在電極環境中可測量到很少的氫時，細菌的活性顯著降低。當電壓不足以進行電解時，也會發生這種情況。只有當氫可以自由地供浮游生物（即自由游動的）來自電極的細菌使用時，它們才會表現出高活性。

發現新的生物合成途徑

通過這種方式，研究團隊能夠優化電壓和細菌濃度，以獲得盡可能高的醋酸鹽產量。“我們的純細菌培養物達到了迄今為止最高的醋酸鹽值，”博託說，作為一個副作用，他還發現形成了細菌通常不會產生的氨基化合物。與萊比錫環境研究中心的Falk Harnisch 合作的這項工作還表明，營養介質和陰極之間發生了以前也沒有描述過的反應，顯然加速了合成過程。

實驗裝置的示意圖：細菌培養物在其中一個容器中生長，提供電力和二氧化碳。第二個容器用於電化學逆反應； 氧氣在這裡產生。圖片來源：Santiago Boto/Leibniz-HKI

該團隊現在希望進一步優化流程，並專門探索以前的發現。“氨基化合物對化學工業非常重要，我們使用的細菌也已經投入工業使用。 因此，我們可能已經發現了這種化學品的新生產方法，”博託說。總的來說，結果應該有助於使MES 在商業上可行。羅森鮑姆說：“我預計，當我們最終也專注於生物學時，我們將在未來幾年看到這項技術的強勁增長。” Bio Pilot Plant 正在就此展開合作，並與工藝工程師合作為MES 開發更大的反應器。