高级醇 · 代谢工程文献库

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Synthetic Klebsiella pneumoniae- Shewanella oneidensis consortium enables glycerol- fed high- performance microbial fuel cells

作者
Feng Li, Changji Yin, Liming Sun, Yuanxiu Li, Xuewu Guo, Hao Song
单位
Key Laboratory of Systems Bioengineering, Ministry of Education; School of Chemical Engineering and Technology, and SynBio Research Platform, Collaborative Innovation Centre of Chemical Science and Engineering, Tianjin University; Petrochemical Research Institute, PetroChina Company Limited; Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology, Ministry of Education; Tianjin Industrial Microbiology Key Lab, College of Biotechnology, Tianjin University of Science and Technology
杂志
Biotechnology Journal（2017）
DOI
10.1002/biot.201700491
所属领域
合成生物学
关键词
GlycerolKlebsiella pneumoniae- Shewanella oneidensisMicrobial consortiumMicrobial fuel cellSynthetic biology
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解决的核心问题

Shewanella oneidensis 等产电菌无法直接利用甘油作为碳源，导致甘油难以在微生物燃料电池中高效转化为电能。

研究策略

构建 Klebsiella pneumoniae-Shewanella oneidensis 合成微生物联合体，通过敲除 adhE 基因和异源表达 ldhD、lldP 基因增强 K. pneumoniae 的乳酸生产，并在 S. oneidensis 中引入来自 Bacillus subtilis 的核黄素合成通路提升胞外电子传递效率，同时优化甘油浓度和接种比例。

研究路线图

研究问题：产电菌无法直接利用甘油作为碳源
策略：构建工程菌联合体，分工协作转化甘油为乳酸并促进产电
改造K. pneumoniae：敲除adhE、表达ldhD/lldP增强乳酸合成与转运
改造S. oneidensis：引入ribADEHC增强黄素合成与电子传递
优化甘油浓度（100 mM）与接种比例
结果：功率密度提升至19.9 mW/m²，乳酸/黄素产量显著升高，乙醇产量下降98%
结论：工程菌联合体可扩展产电菌碳源谱并提高MFC性能
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核心内容

本研究构建了肺炎克雷伯氏菌与奥奈达希瓦氏菌的合成微生物联合体，以解决产电菌无法直接利用甘油的问题。通过敲除肺炎克雷伯氏菌的adhE基因并异源表达ldhD和lldP基因增强乳酸生产，同时在奥奈达希瓦氏菌中引入枯草芽孢杆菌的核黄素合成通路以提升胞外电子传递效率。工程化联合体在100 mM甘油条件下最大功率密度达19.9 mW/m²，较野生型联合体的8.17 mW/m²提升约2.4倍；乳酸产量增加2.1倍至11.60 mM，乙醇产量下降98%，黄素产量提高7.9倍。MFC输出电压在100 mM甘油时最高达234 mV，而50 mM和150 mM条件下分别为147 mV和59 mV，表明甘油浓度需优化平衡。该工作证明理性分工的工程菌联合体能有效扩展产电菌碳源谱并显著提升微生物燃料电池性能，为复杂碳源驱动产电提供了可行策略。

创新点

理性设计“分工协作”的工程菌联合体，将甘油转化为乳酸并持续供给产电菌；系统改造碳通量分布和胞外电子传递效率，显著提升甘油驱动 MFC 的功率密度。

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Klebsiella pneumoniae 甘油代谢/乙醇合成 adhE alcohol dehydrogenase 催化 敲除该基因以消除乙醇竞争，使更多碳流转向乳酸合成
Klebsiella pneumoniae 乳酸合成 ldhD D-lactate dehydrogenase 催化 源自 Lactobacillus bulgaricus，异源表达促进丙酮酸转化为乳酸并平衡 NADH/NAD+
Klebsiella pneumoniae 乳酸转运 lldP lactate transporter 转运 源自 Escherichia coli，利用质子驱动力促进乳酸跨膜外排
Shewanella oneidensis 黄素生物合成 ribADEHC 核黄素合成酶系 催化 源自 Bacillus subtilis，引入后黄素产量提高 7.9 倍，增强黄素介导的胞外电子传递

关键发现

  1. 工程联合体 (ETK.pneumoniae-ETS.oneidensis) 在 100 mM 甘油条件下最大功率密度为
  2. 9 mW/m2，显著高于野生型联合体的
  3. 17 mW/m2；乳酸产量增加
  4. 1 倍（从
  5. 70±0.77 mM 到
  6. 60±0.49 mM），乙醇产量下降 98%（从
  7. 1±0.19 mM 到
  8. 2±0.21 mM）；黄素产量提高
  9. 9 倍（从
  10. 68±0.13 μM 到
  11. 36±0.42 μM）；100 mM 甘油时 MFC 输出电压最高达 234±5 mV，而 50 mM 和 150 mM 分别为 147±4 mV 和 59±5 mV。

研究结论

工程化微生物联合体是扩展产电菌可利用碳源谱并提高 MFC 产电能力的有效策略。

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