PNAS∣光电生物固碳/氮系统

“PNAS∣光电生物固碳/氮系统”

文献信息：

Stefano Cestellos=Blanco, Rachel R. Chan, Yuexiao Shen, Ji Min Kim, Tom A. Tacken, Rhesa Ledbetter, Sunmmon Yu, Lance C. Seefeldt, and Peidong Yang. Photosynthetic biohybrid coculture for tandem and tunable CO₂ and N₂ fixation.

https://doi.org/10.1073/pnas.2122364119

PNAS  影响因子：12.779

背景介绍

太阳能驱动的生物电合成是一种很有前途的方法，可以利用可再生能源将丰富的资源转化为高值化学品。由电能提供动力的自养微生物具有固定CO₂、N₂和同化水的能力。

然而，自养生物的产品是有限的。此外，负责N₂还原的微生物受到能量限制。

为了克服这些挑战，我们设计了一种微生物共培养物，用于将CO₂和N₂合成为增值产品上，应用不同的物种共同实现生物转化步骤，以减少个体的代谢负担。该共培养物由产乙酸菌Sporomusa ovata和固氮菌Rhodopseudomonas palustris组成，其中Sporomusa ovata可利用电能固定CO₂生产乙酸，而Rhodopseudomonas palustris可利用乙酸进行生长并固氮。

作者发现，微生物共培养平台是一个一个强大的生态系统，可实现连续的CO₂和N₂固定，且其产物可通过控制气体底物组成进行改变。此外，作者还展示了共培养微生物可在高表面积的硅纳米阴极上进行良好生长。

共培养微生物在利用电能生产乙酸、固氮和生产氨上的法拉第效率分别达到了100%、19.1%和6.3%。最后，作者建立了光电转换系统，对共培养微生物进行培养，生产乙酸、固氮和生产氨的转化效率分别是1.78%、0.51%和0.08%。

图文解读

图1 生物灵感的微生物共培养体系的设计

根瘤菌栖息在豆科植物的缺氧根瘤中，在那里，豆科植物为它们提供了有机物（如苹果酸盐）。根瘤菌反过来将氮气固定在豆科植物用来生长的含氮化合物上。

在作者的设计中，硅纳米阴极上生长的Sporomusa ovata可利用电和CO₂生产乙酸。与根瘤菌类似，Rhodopseudomonas palustris以乙酸作为原料，将N₂转化为氨。

图2 单独培养Sporomusa ovata和Rhodopseudomonas palustris的特征

对Sporomusa ovata单独培养，细菌生物量（a）、乙酸产量（b），图中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别代表初始接种量（OD545）为0.15、0.225和0.6时的情况。

在H₂/CO₂/N₂顶空气体环境下，对高氮肥、光异样的Rhodopseudomonas palustris（nifA*）和自养的Rhodopseudomonas palustris单独培养，细菌生物量（c）、总氮（d）和氨（e）产量。

图3 Sporomusa ovata和Rhodopseudomonas palustris共培养特性

（ a ）同时接种Sporomusa ovata和

Rhodopseudomonas palustris（nifA*）。

（ b ）Sporomusa ovata接种24h后，接种

Rhodopseudomonas palustris（nifA*）。

（ c-d ）接种后的结果总结

图4 电能支持的Sporomusa ovata和Rhodopseudomonas palustris

（ a-b ）微生物共培养生产乙酸、固氮和生产氨的法拉第效率和电流密度。

（ c ） 通过外部光伏装置实现的完全太阳能共培养，及太阳能到化学能效率。

（ d ）扫描电镜观察Sporomusa ovata和

Rhodopseudomonas palustris阵列的显微镜图。（Sporomusa ovata为黄色，Rhodopseudomonas palustris为粉红色）。

合成生物学相关内容讨论与合作，及文章投稿

欢迎联系小编：shalafangjian

了解更多合成生物学内容，请关注 iSynFox 🦊: