Engineering Microbial Consortia for High-Performance Cellulosic Hydrolyzates-Fed Microbial Fuel Cells
- 作者
- Feng Li, Xingjuan An, Deguang Wu, Jing Xu, Yuanyuan Chen, Wenchao Li, Yingxiu Cao, Xuewu Guo, Xue Lin, Congfa Li, Sixin Liu, Hao Song
- 单位
- Key Laboratory of Systems Bioengineering (MOE), Frontier Science Center for Synthetic Biology, School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin, China; Department of Brewing Engineering, Moutai Institute, Renhuai, China; Tianjin Engineering Research Center of Microbial Metabolism and Fermentation Process Control, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin, China; College of Food Science and Technology, Hainan University, Haikou, China
- 杂志
- Frontiers in Microbiology（2019）
- DOI
- 10.3389/fmicb.2019.00409
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解决纤维素水解液中的葡萄糖和木糖无法被典型产电菌Shewanella oneidensis直接利用，导致微生物燃料电池产电效率低的问题
研究策略
构建“发酵菌-产电菌”合成微生物联合体，将Klebsiella pneumoniae改造为高效乳酸生产菌（敲除adhE和pta，过表达ldhD和lldP），将S. oneidensis CP-S1改造为高效胞外电子传递菌（表达黄素合成途径），并优化底物比例和接种比
核心内容
针对典型产电菌Shewanella oneidensis难以直接利用纤维素水解液中葡萄糖和木糖的问题，该研究构建了“发酵菌-产电菌”合成微生物联合体。通过敲除Klebsiella pneumoniae的adhE和pta基因并过表达ldhD与lldP，获得高效乳酸生产菌KG-3，其在20 mM葡萄糖下乳酸产量从2.8 mM提升至8.8 mM，乙醇和乙酸分别降低97%和86%；在木糖下乳酸产量从1.8 mM升至6.2 mM。同时，在S. oneidensis CP-S1-C5中表达黄素合成途径，使黄素分泌量较野生型提高约6.4倍。在20 mM葡萄糖和20 mM木糖混合条件下，KG-3与CP-S1-C5联合体的最大功率密度达104.7 mW/m²，为对照联合体的7.2倍，库仑效率达33.3%。以玉米秸秆水解液为底物时，最大功率密度为23.5 mW/m²。该研究为利用难发酵生物质驱动的微生物燃料电池提供了可行的代谢工程策略。
创新点
1. 首次设计葡萄糖和木糖共利用的K. pneumoniae-S. oneidensis联合体；2. 通过基因敲除和过表达强化乳酸合成与分泌；3. 在疏水性S. oneidensis中表达黄素合成途径，同时增强直接接触和介导的EET；4. 系统优化碳源配比和接种比例
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella pneumoniae KG-3 | 乳酸合成途径 | ldhD | 乳酸脱氢酶 | 催化 | 来自Lactobacillus bulgaricus，过表达以促进乳酸合成 |
| Klebsiella pneumoniae KG-3 | 乳酸转运途径 | lldP | 乳酸转运蛋白LldP | 转运 | 来自Escherichia coli，增强乳酸跨膜输出 |
| Klebsiella pneumoniae KG-2 | 乙醇合成途径 | adhE | 乙醇脱氢酶 | 催化 | 敲除该基因以消除乙醇副产物 |
| Klebsiella pneumoniae KG-2 | 乙酸合成途径 | pta | 磷酸转乙酰酶 | 催化 | 敲除该基因以消除乙酸副产物 |
| Shewanella oneidensis CP-S1-C5 | 黄素生物合成途径 | ribADEHC | 核黄素合成酶 | 催化 | 来自Bacillus subtilis，增强黄素介导的胞外电子传递 |
关键发现
- 重组K. pneumoniae KG-3在20 mM葡萄糖下乳酸产量从2.8±0.2 mM增至8.8±0.4 mM（2.1倍），乙醇降低97%、乙酸降低86%
- 在20 mM木糖下乳酸从1.8±0.4增至6.2±0.5 mM（2.4倍），乙醇降低94%、乙酸降低81%。CP-S1-C5的黄素产量比野生型MR-1增加约6.4倍（从1.2±0.1 μM到8.9±0.3 μM）。在20 mM葡萄糖+20 mM木糖条件下，工程联合体KG-3:CP-S1-C5的最大功率密度达104.7±10.0 mW/m²，是KG-1:WT（12.7±3.0 mW/m²）的7.2倍、KG-2:CP-S1（32.7±6.0 mW/m²）的2.2倍
- 最大催化电流408.2±8.0 mA/m²，库仑效率33.3%。以玉米秸秆水解液为底物时，最大功率密度为23.5±6.0 mW/m²，最大输出电压152.3±8.0 mV，最大电流密度72.8±5.0 mA/m²
研究结论
成功构建了“发酵菌-产电菌”协同工作的合成微生物联合体，实现了纤维素水解液中葡萄糖和木糖向电能的高效转化，为其他难利用生物质在微生物燃料电池中的应用奠定了基础