近日，郭婉茜教授课题组在环境领域权威期刊Water Research上发表了题为“Carbon chain elongation characterizations of electrode-biofilm microbes in electro-fermentation”的研究论文。与传统发酵技术相比，电发酵技术合成中链脂肪酸（Medium Chain Fatty Acids, MCFAs）的效率更高。然而，微生物和电极的相互作用，尤其是电极生物膜增强MCFAs合成的微生物学机制方面，仍然存在研究空白，这限制了微生物碳链延长（Chain Elongation, CE）技术发展。本研究证明了阴极生物膜的形成会显著促进MCFAs的生产。宏基因组分析表明，阴极生物膜中CE相关代谢途径的基因丰度显著提高。此外，研究还深入探讨了阴极生物膜中的关键微生物，并揭示关键微生物间及其与电极间的作用机制，为理解电极生物膜在MCFAs合成中的作用提供了新的视角。
本研究开发了一种连续流CE反应系统，经过225天的稳定运行，成功构建了高效的电极生物膜，显著提升了MCFAs的产率，增幅超过38%。与悬浮污泥相比，电极生物膜中富集了更多的CE微生物和电活性微生物，例如Caproicibacterium, Oscillibacter和Pseudoramibacter等。宏基因组分析表明，电极生物膜尤其是阴极生物膜中，与乙酰辅酶A和丙二酰-[acp]形成途径、逆β氧化途径（reverse beta-oxidation，RBO）和脂肪酸合成途径（fatty acid biosynthesis，FAB）相关的基因丰度均显著高于悬浮污泥微生物和阳极生物膜。此外，电极生物膜的微生物群落通过调控细菌趋化性、鞭毛组装和群体感应等关键过程，对电极生物膜的形成和功能发挥了至关重要的作用。阴极生物膜中与电子传递和能量代谢相关的功能基因丰度也有所提高，这为MCFAs的合成提供了额外的推动力。研究还深入探讨了阴极生物膜内关键微生物之间的相互作用，解析了如Oscillospiraceae_bacterium，Caproiciproducens_sp._NJN-50，Clostridiales_bacterium，Prevotella_sp和Pseudoclavibacter_caeni之间的协作机制。总之，本研究不仅阐明了MCFAs电合成过程中阴极生物膜的生物效应机制，而且为CE电活性生物膜反应器的研究领域提供了新的视角和理论基础。
实验室郭婉茜教授为论文的通讯作者，任韦同博士为第一作者，重点实验室为通讯单位。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122417
