中国白酒行业发展迅速，由此产生了大量富含有机物（葡萄糖、乳酸、纤维素等）的酒糟水。直接将未经处理或部分处理的酒糟水进行排放会严重污染水资源，因此，如何处理酒糟水引起了广泛的关注。然而，目前的处理工艺能耗高且无法满足可持续发展的需求，亟须开发高效的、环境友好的处理方法，将酒糟水“变废为宝”。
以电能细胞为催化剂的微生物电催化系统，作为一种新型的绿色新能源生产方式正崭露头角，可以将废水中储存的化学能转化为电能，同时实现废水处理与能量回收。然而，目前电能细胞（如希瓦氏菌）底物利用谱较窄，电活性生物膜的形成能力较差，极大地限制了电能细胞在酒糟水处理过程中的实际应用。
▲图1 | 工程产电微生物处理实际酒糟废水实现电能回收
近日，天津大学宋浩教授团队在国际期刊《Science of the Total Environment》（Q1，IF：10.753）发表题为“Engineering Shewanella oneidensis to efficiently harvest electricity power by co-utilizing glucose and lactate in thin stillage of liquor industry”研究论文，该研究得到了国家重点研发计划 （2018YFA0901300），国家自然科学基金项目（NSFC 32071411、32001034 和 31771969）以及天津市科技计划项目（20JCQNJC00830）、贵州省基础研究计划（基金）项目（[2020]1Y150）、贵州省教育厅青年科技人才成长计划项目（KY[2018]445）的支持，相关研究内容获得天津科技大学酿造实验室和茅台学院酿酒工程系的指导帮助。天津大学化工学院博士生张君奇和茅台学院副教授、天津科技大学博士生吴德光为共同一作，天津大学化工学院李锋和宋浩教授为共同通讯作者。
在本研究中，为了构建能够利用葡萄糖的希瓦氏菌株，作者首先过表达来自 E. coli W3110 的外膜孔蛋白编码基因 ompc 以及来自 Zymomonas mobilis Z4 的编码葡萄糖转运和葡萄糖激酶的 glf，glk 基因（模块一），增强了葡萄糖跨膜摄取能力；之后，通过过表达来自 Zymomonas mobilis Z4 的编码葡萄糖-6-磷酸脱氢酶、6-磷酸葡萄糖醇内切酶和 6-磷酸葡萄糖酸脱水酶的 zwf，pgl，和 edd 基因（模块二），重构了葡萄糖代谢的 ED 途径，提高了葡萄糖利用率；此外，为进一步提高了葡萄糖的利用率，作者敲除了 N-乙酰氨基葡萄糖代谢的全局调控因子 nagR。通过上述策略，成功构建了可以高效代谢葡萄糖的希瓦氏菌株 G7ΔR，其葡萄糖代谢速率高达 230.9 mg L-1 h-1。另外，为了实现酒糟水中葡萄糖和乳酸的高效共利用，通过过表达乳酸转运蛋白 Lldp 构建 G7ΔRL1 菌株，在以人工酒糟水作为碳源时功率密度达到了 100.9 mW/m2。为了促进导电生物膜的形成，作者通过敲除编码 DNA 降解酶的 exeS 基因构建了 G7ΔRSL1 菌株，该菌株可在阳极表面形成约 160μm 的生物膜，在以人工酒糟水为碳源时最高功率密度可达 215.3 mW/m2。
▲图2 | 模块化合成生物学策略设计构建工程 S. oneidensis，实现酒糟废水电能回收
为进一步提高电极与微生物界面电子传递能力，在上述工程菌株的基础上，作者使用氧化石墨烯纳米材料和碳纳米管构建了 3D 自组装 G7ΔRSL1-Rgo/CNT 杂合体，在以人工酒糟水为碳源时可获得的最高功率密度为 560.4 mW/m2。最后，为了探究工程菌处理实际酒糟废水的应用潜力，作者利用 G7ΔRSL1-rGO/CNT 杂合体处理来自贵州茅台镇的真实酒糟废水，最终获得 373.7mW/m2 的最高功率密度，是野生型希瓦氏菌（48.1mW/m2）的 7.8 倍。该研究证明通过合成生物学工程设计，可以有效改善希瓦氏菌的底物摄取以及胞外电子传递能力，同时展现了利用电能细胞处理酒糟水废水的潜力。
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