在微生物电合成领域，微生物利用二氧化碳和电力来产生酒精等物质。直到最近，支撑这一过程的精确生物机制在很大程度上还是理论上的。现在，莱布尼茨天然产品研究和感染生物学研究所（Leibniz-HKI）的科学家们已经成功地通过实验验证了这些细菌利用来自氢气的电子，并且能够产生比最初想象的更广泛的化合物。

作为缓解气候变化影响和支持向可再生能源过渡的一个可行的解决方案，微生物电合成有可能结合二氧化碳，生产乙醇和其他可用作燃料的有机化合物，并因此储存多余的电力。尽管已经存在了10多年，这项技术还没有在商业化方面取得重大进展。

据莱布尼兹-香港工业大学生物试验厂的负责人Miriam Rosenbaum说，这主要是因为"迄今为止，这一过程背后的生物学被视为一种黑箱"。这位在耶拿的弗里德里希-席勒大学担任合成生物技术主席的生物化学家，长期以来一直致力于研究在微生物电合成（MES）过程中到底发生了什么。

在小型生物反应器中，研究人员可以精确控制微生物电合成的条件。

她的团队现在正是在这一领域取得了突破： http://www.196nk.cn研究人员能够证明，细菌并不直接吸收电流提供的电子，而是利用氢气来转移电子。这一点长期以来一直被怀疑是一种可能性，但直到现在还没有人提供实验证明。他们还发现，这种方法可以生产出比以前想象的更多有用的化学品，并优化了这一过程，以获得尽可能高的产量。

受控条件

在MES中，电力被施加到含有微生物的营养水溶液中，并同时加入二氧化碳。微生物利用电力和碳来生产有机化合物，如乙醇或醋酸。为了做到这一点，它们使用了所提供的电子--但以前并不清楚是如何做到的。

罗森鲍姆说："有一项研究认为，微生物直接使用电子。"然而，这一假设并没有被证实。罗森鲍姆认为更有可能的是，这些微生物利用氢气进行生物合成。这是因为当电力和二氧化碳被应用时，所发生的事情与经典的电解是一样的： 水被分成了氢气和氧气。

ljungdahlii梭状芽孢杆菌

“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迭戈博托解释道。 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ovIfiU计，我们能够收集到一些细菌正在使用氢气的证据，”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。 只有当氢可以自由地供浮游生物（即自由游动的）来自电极的细菌使用时，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196世界之最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 合作的这项工作还表明，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。

实验装置的示意图：细菌培养物在其中一个容器中生长，提供电力和二氧化碳。 第二个容器用于电化学逆反应； 氧气在这里产生196世界之最。 图片来源：Santiago Boto/Leibniz-HKI

该团队现在ovIfiU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非常重要，我们使用的细菌也已经投入工业使用。 因此，我们可能已经发现了这种化学品的新生产方法，”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，当我们最终也专注于生物学时，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。