南京理工大学葛士建教授ES&T综述|胞内电子传递调控废弃生物质产中链羧酸

5月12日，南京理工大学葛士建教授团队在Environmental Science & Technology在线发表了题为“From Electron Transport to Electron Allocation in Medium-Chain Carboxylic Acid Biosynthesis from Waste Biomass: Critical Roles, Challenges, and Enhancement Strategies”的研究论文，总结了胞内电子传递系统（CIET）对于废弃生物质合成中链羧酸的关键调控作用。

厌氧消化产甲烷技术虽已广泛用于废生物质能源回收，但甲烷能量密度低、经济价值有限，限制了其商业化应用。近年来，基于链延长（CE）的厌氧发酵技术可将废生物质（如餐厨垃圾、剩余污泥、酿酒废水、酸乳清等）转化为高附加值的中链羧酸（MCCA，C6–C8），因其液体燃料特性和更高的市场价值而备受关注。然而，在实际非灭菌废生物质体系中，MCCA的产率、选择性和碳链长度仍远未达到工业化要求，核心瓶颈在于电子分配效率低下——即底物氧化产生的电子最终进入目标MCCA的比例有限。现有研究多聚焦于底物补充或酶工程改造，却忽视了胞内电子传递系统（CIET）的关键调控作用。CIET通过提供还原力（NADH/Fdred）驱动逆β-氧化（RBO）循环、并通过电子分岔和质子动势合成ATP，直接影响MCCA合成效率。然而，非灭菌体系面临三大挑战：群落水平竞争代谢（产甲烷、丙烯酸途径、乙醇过度氧化）分流电子供体/受体；废生物质普遍存在的低电子供体/受体（ED/EA）比导致还原力在短链中间体处中断；未解离MCCA的膜毒性破坏质子梯度与膜完整性，反馈抑制CIET功能。因此，从电子传递系统层面系统阐明CIET的作用机制、挑战及强化策略，对提升MCCA生物合成的电子分配效率至关重要。

本综述首次将CIET作为核心枢纽，系统阐述了电子产生、载体循环与电子利用三个环节如何共同决定MCCA的合成效率。文章首先阐明了CIET的双重关键功能：一是通过乙醇或乳酸氧化生成NADH/Fdred，为RBO循环每轮两碳延长提供必需的还原力；二是通过Etf-Bcd电子分岔复合体和Rnf复合体再生Fdred并驱动质子动势合成ATP，为链延长供能。在此基础上，系统归纳了三大现实挑战：①竞争代谢（如丙烯酸 pathway 分流高达24.7%的碳流至丙酸，产甲烷菌消耗乙酸和H₂）；②低ED/EA比（乙醇/乙酸最优摩尔比3:1，低于此值产物以丁酸为主）；③未解离MCCA毒性（如0.87 g/L已抑制CEB活性，远低于其溶解度10.8 g/L）。针对上述挑战，综述提出了四类强化CIET以提高电子分配效率的策略：①增加ED供应（H₂补加、电化学阴极、原位水解产乙醇/乳酸）；②导电材料干预电子流（nZVI、Fe₃O₄、生物炭等，MCCA产率最高提升5.3倍）；③富集链延长菌群（弱酸性pH 5.5–6.5选择性富集CEB、短HRT冲走产甲烷菌、CO₂供给促进CEB生长）；④原位产物提取（中空纤维膜液-液萃取、电渗析、阴离子交换树脂）解除未解离MCCA的毒性抑制。最后，展望指出未来应重点开发纤维素乙醇等非粮ED、构建CEB与电活性菌共培养体系、利用膜脂工程（提高长链不饱和脂肪酸比例）增强菌株耐受性，并结合AI动态调控连续发酵-提取-分离全过程。本综述从电子输运到电子分配的完整视角，为废生物质资源化及MCCA的工业化生产提供了系统的理论指导和工程路径。