Improved energy efficiency in microbial fuel cells by bioethanol and electricity co-generation
- 作者
- Rong Xie, Shuang Wang, Kai Wang, Meng Wang, Biqiang Chen, Zheng Wang, Tianwei Tan
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2022）
- DOI
- 10.1186/s13068-022-02180-4
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学 / 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
微生物燃料电池（MFC）产电性能低且底物利用不充分，酿酒酵母发酵产乙醇过程中大量能量以热量形式损失，如何通过代谢调控同时提高乙醇产量和MFC产电性能、提升底物能量利用率。
研究策略
利用CRISPR/Cas9敲除酿酒酵母中消耗胞内NAD(P)H的基因（丙酮酸代谢中的乳酸脱氢酶基因dld1/dld2/dld3，以及三羧酸循环中相关的mae、idp1/2/3、mdh1/2/3、oye2/3），阻断胞内电子消耗途径，积累还原型辅酶，通过电子传递介体将多余电子传递至阳极，实现乙醇与电力联产。
核心内容
本研究利用CRISPR/Cas9在酿酒酵母中系统敲除丙酮酸代谢与三羧酸循环相关的12个NAD(P)H消耗基因，包括乳酸脱氢酶基因dld1/2/3及mae、idp1/2/3、mdh1/2/3、oye2/3，阻断胞内电子消耗途径，使还原型辅酶积累，并通过电子传递介体将多余电子导向微生物燃料电池阳极，实现乙醇发酵与电力联产。结果显示，完全敲除乳酸脱氢酶的Δdld123菌株性能最优，最大乙醇产量达7.71 g/L，最大功率密度240 mW/m²，为对照菌株的12倍；开路电位0.65 V，较对照提高16%，电荷转移内阻从149 Ω降至90 Ω，胞内NADH/NAD+比值提高2.8倍。在TCA循环敲除株中，Δoye3功率密度最高达103.6 mW/m²，为对照的5.6倍。Δdld123菌株总能量利用率达79.4%，较对照的62.1%提高17.3%。该工作证实了通过代谢工程积累胞内电子可同时提升产电性能与乙醇产量，为微生物胞内电子调控用于生物电生产提供了新思路。
创新点
首次系统敲除酿酒酵母中多个NAD(P)H消耗基因（双模块、12个基因），将胞内电子积累与MFC产电、乙醇发酵耦合，实现乙醇与电力联产；Δdld123菌株功率密度较对照提升12倍，能量利用率提高17.3%。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 丙酮酸代谢 | dld1 | D-乳酸脱氢酶1 | 催化 | 敲除后阻断乳酸合成途径，减少NADH消耗，促进胞内电子积累 |
| Saccharomyces cerevisiae | 丙酮酸代谢 | dld2 | D-乳酸脱氢酶2 | 催化 | 敲除后减少NADH消耗，增加可释放电子 |
| Saccharomyces cerevisiae | 丙酮酸代谢 | dld3 | D-乳酸脱氢酶3 | 催化 | 敲除后减少NADH消耗 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三羧酸循环 | mae | 苹果酸酶 | 催化 | 敲除后影响NAD+依赖的苹果酸氧化脱羧，调节NADH水平 |
| Saccharomyces cerevisiae | 谷氨酸生物合成 | idp1 | 异柠檬酸脱氢酶1（NADP+） | 催化 | 敲除后减少NADPH消耗，提高NADPH/NADP+比例 |
| Saccharomyces cerevisiae | 谷氨酸生物合成 | idp2 | 异柠檬酸脱氢酶2（NADP+） | 催化 | 敲除后NADPH/NADP+比值提高至对照的1.85倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | 谷氨酸生物合成 | idp3 | 异柠檬酸脱氢酶3（NADP+） | 催化 | 敲除后影响NADPH消耗 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三羧酸循环 | mdh1 | 苹果酸脱氢酶1（NAD+） | 催化 | 敲除后影响草酰乙酸还原，调节NADH/NAD+比例 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三羧酸循环 | mdh2 | 苹果酸脱氢酶2（NAD+） | 催化 | 敲除后减少NADH消耗 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三羧酸循环 | mdh3 | 苹果酸脱氢酶3（NAD+） | 催化 | 敲除后减少NADH消耗 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇代谢/香茅醇合成 | oye2 | NADPH脱氢酶（旧黄色酶2） | 催化 | 敲除后减少NADPH消耗 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇代谢/香茅醇合成 | oye3 | NADPH脱氢酶（旧黄色酶3） | 催化 | 敲除后功率密度大幅提高至103.6 mW/m²，为对照的5.6倍 |
关键发现
- 敲除乳酸脱氢酶全部基因的Δdld123菌株在MFC中最大乙醇产量达7.71 g/L，最大功率密度240 mW/m²，为对照菌（5D）的12倍
- 开路电位0.65 V，比对照（0.56 V）高16%
- 外电路电位0.411 V，较对照（0.16 V）提高157%
- 胞内NADH/NAD+比值较对照提高2.8倍。TCA循环敲除株中，Δoye3功率密度最高为103.6 mW/m²，为对照的5.6倍
- Δoye3和Δidp2的NADPH/NADP+比值分别为对照的1.87和1.85倍。EIS测量显示Δdld123菌株电荷转移内阻为90 Ω，明显低于对照的149 Ω。Δdld123菌株总能量利用率达79.4%，较对照（62.1%）提高17.3%。
研究结论
敲除胞内电子消耗基因可使细胞内积累过量电子，提升MFC产电性能，同时提高乙醇产量，实现乙醇与电力联产，从而提高底物利用率。该方法为通过体内代谢工程调控微生物胞内电子积累用于生物电生产提供了参考。