第一作者：刘超，吉嘉铖
通讯作者：王雯，张燚
通讯单位：北京化工大学化学工程学院
论文DOI：10.1021/acscatal.2c00768
近日，北京化工大学化学工程学院王雯教授、张燚教授团队在催化领域顶级期刊ACS Catalysis上发表了题为“Heterogeneous catalyst-microbiome hybrids for efficient CO-driven C6 carboxylic acid synthesis via metabolic pathway manipulation”的论文。本文针对传统CO微生物转化效率低的弱点，基于催化剂对 CO的高效捕集性能以及微生物转化高特异性低成本的特性，构建了非均相催化剂与厌氧混合菌群的耦合体系，通过定向调控微生物的代谢途径在常温常压下实现CO的高效转化合成中链脂肪酸（MCCAs）。在该耦合体系中，Pt/Fe2O3催化剂吸附活化无机碳（CO）生成有机碳（吸附态丙酮酸物种），吸附态丙酮酸物种随后进入厌氧微生物的代谢转化为乙酰辅酶A、并进而碳链延长合成平台化合物MCCAs。该耦合体系大幅提高了微生物代谢效率、拓展了CO/CO2转化利用途径，为“无机至有机”（inorganic carbon-to-chemical）的实践提供高效可调控路径和理论支持。
随着全球工业化的迅猛发展，全球变暖日趋严重及化石能源日益匮乏成为各国必须面对的棘手问题，以合成气为原料制备高品质化学品受到广泛的关注。目前利用合成气生物转化制取中链脂肪酸（MCCAs，如己酸、辛酸等）等高附加值产品引起了广泛关注。在MCCAs合成过程中，合成气需首先通过Wood-Ljungdahl途径合成关键的中间体乙酰辅酶A，进而碳链延长合成MCCAs。然而此技术的发展面临重大挑战：（1）气液传质，合成气在水中的溶解度低，极大限制了其转化利用效率；（2）关键酶缺陷，微生物代谢步骤繁多，一旦缺少关键还原过程的基因编码，乙酰辅酶A合成即受阻；（3）能量限制，当乙酰辅酶A被用作细胞碳物质或能量、或转化为乙醇等产物时，细胞内ATP失衡，W-L代谢过程受限。
金属催化剂被广泛应用于合成气转化并合成醇、酮等多碳化合物，具有合成气转化效率高、反应速率快等优点，但催化化学反应一般需要在高温高压条件下进行。近来有研究表明天然的过渡金属（Fe, Ni等）可以在常温常压下转化无机碳（如CO、CO2），并可以选择性的产生丙酮酰类有机物。这些丙酮酰类有机物是所有生物细胞代谢及体内多种物质相互转化途径（例如乙酰辅酶A途径和三羧酸循环）的重要中间体。
基于此，本文旨在开发一种基于非均相催化剂和微生物耦合高效转化合成气制取MCCAs的反应体系。该耦合反应体系实现了CO高效持续转化为MCCAs，其最大产量可达6600 mg COD/L，大幅高于目前已报道的MCCAs产量。本文系统地研究了非均相催化剂与微生物的功能分配及耦合机制，为实现无机碳至有机化学品的高效率低成本转化提供了新思路和新途径。
（一）耦合反应体系中CO转化制取MCCAs能效解析
▲图1 反应器B及Pt/Fe2O3底物消耗及产物累积图。(A) 反应器B于阶段I-III的脂肪酸含量，(B) 反应器Pt/Fe2O3于阶段I-III的脂肪酸含量，(C)反应器B和Pt/Fe2O3反应各阶段CO累计消耗量
根据己酸出现（阶段II）及到达平稳（阶段III）的节点将反应器运行分为三阶段。在反应器B中，正丁酸在阶段I第7天开始出现、并于第21天时增长至2140 mg COD/L，正己酸在第21天开始出现、并在56天达到3700 mg COD/L，正丁酸的浓度随着正己酸的累积呈现下降趋势。而在耦合反应器中，虽然变化规律类似，但正己酸浓度持续增长到第63天的6600 mg COD/L，比反应器B高78%，而耦和反应器中稳态正丁酸浓度（12600 mg COD/L）也比反应器B中高350%。相对应的，在整个反应过程中，反应器B中累计消耗4500 mL CO，而耦合反应器CO累计消耗量为7400 mL。非均相催化剂与微生物耦合体系显著提高了CO的转化和MCCAs的合成效率。
（二）耦合反应体系中催化剂作用机理探究
▲图2 Pt/Fe2O3催化剂-微生物耦合体系扫描电镜图。(A) 还原后Pt/Fe2O3催化剂的扫描电镜图；(B) 微生物菌落的扫描电镜图；(C)-(F) 还原后Pt/Fe2O3催化剂和微生物菌落耦合体系在不同反应时间的扫描电镜图，其中F图中通过EDS进行了Fe的面扫描分布（C：27 天，D：56 天，E&F：84 天）
通过SEM可以观察到Pt/Fe2O3催化剂-微生物耦合体系建构良好，随着反应的进行，催化剂与微生物始终接触紧密，这为CO在催化剂表面生成吸附态丙酮酸物种并随后被微生物利用转化营造了优良的反应环境。
▲图3 原位漫反射傅里叶红外光谱图。(A) 乙酸在还原后Pt/Fe2O3催化剂上吸附的红外光谱图；(B)-(E) 随着CO通入原位池中后，CO与吸附了还原后Pt/Fe2O3催化剂进行反应30,60,90,120 min后还原后Pt/Fe2O3催化剂表面物种的红外光谱图；(F) 丙酮酸在还原后Pt/Fe2O3催化剂上吸附的红外光谱图
图3通过原位红外表征了Pt/Fe2O3催化剂上CO与吸附态乙酸的反应过程。如图3 B~E 所示，随着CO的引入，归属于乙酸的特征吸附峰（如位于1711 cm-1的ν(C=O)）峰强度明显降低，同时吸附态丙酮酸的特征峰（如位于1745 cm-1、1690 cm -1、1550 cm-1和1511 cm-1的吸附峰）相应增加。结果证明在 Pt/Fe2O3催化剂上，CO可以与吸附态乙酸形成的乙酰基反应、在室温下合成吸附态丙酮酸物种，实现无机碳转化为有机碳的关键反应。
（三）基于宏基因和宏蛋白组学探究耦合反应体系中微生物代谢途径
▲图4 反应器B和Pt/Fe2O3中宏蛋白组学解析。(A) 形成乙酰辅酶A及碳链延长涉及的代谢过程和差异蛋白的表达；(B)与CO、丙酮酸转化和碳链延长RBO途径相关的关键酶表达差异，up为上调；dn,为下调
在乙酰辅酶A的合成途径中，尽管两个反应器均能够编码经由常规W-L路径转化CO为乙酰辅酶A的过程，但与反应器B相比，耦合反应体系中的与W-L途径相关的蛋白均是下调状态。与此同时，耦合反应体系中丙酮酸合成乙酰辅酶A的相关蛋白量均显著上调。这表明在耦合反应体系中，乙酰辅酶A合成的关键路径主要经由丙酮酸的转化。
多组学分析结果表明本文中碳链延长主要经由RBO途径，耦合反应体系中RBO途径关键酶的差异蛋白与反应器B相比均处于上调的状态。此外在耦合体系中，与铁氧还蛋白-NADP+还原酶和电子转移黄素蛋白能量代谢相关的蛋白也都处于上调状态。这与耦合体系下获得较高的己酸含量相符。
由上述可知，耦合反应体系不仅改变了乙酰辅酶A合成的相关途径，也促进了碳链延长的合成过程。
▲图5 反应器Pt/Fe2O3和B中种水平的生物学分类。(A) 宏基因组中优势菌种的相对丰度；(B) 宏蛋白组中优势菌种的相对丰度；(C) 宏蛋白与宏基因优势菌种相对丰度的比值；(D) 优势菌种编码表达的关键酶
将宏基因组和宏蛋白组结合进一步分析微生物菌群结构及功能微生物，Eubacterium. Limosum是反应器B中的优势菌种，能够编码表达完整的经由W-L途径转化CO制取乙酰辅酶A过程，认为E. limosum是转化CO的功能微生物。而耦合反应体系中，E. limosum的相对丰度和表达活性均明显下降，进一步表明通过W-L途径直接转化 CO为乙酰辅酶A的路径在耦合体系中不是优势途径。菌种Proteiniphilum. acetatigenes在耦合反应器中得到富集，且能够编码表达完整的丙酮酸转化制取乙酰辅酶A途径，认为P. acetatigenes为转化丙酮酸的功能微生物。此外菌种Clostridium ultunense包含经由RBO途径制取己酸过程中关键酶，认为C. ultunense微实现碳链延长的功能微生物。
此外，近期研究结果表明，此反应体系对CO2的转化也同样有效。因此，利用本文构建的非均相催化剂-微生物耦合反应体系可以设计新的无机碳（CO/CO2）人工生物转化途径。基于非均相催化剂高效吸附转化无机碳为吸附态丙酮酸物种，进而在温和反应条件下，利用代谢功能多样的微生物菌群，实现更广泛更高值化学品的高效生物合成。
通讯作者：
张燚：北京化工大学化学工程学院教授。2009年7月以高层次引进人才引进到北京化工大学化学工程学院任教授。长期从事一碳化学、生物质催化转化相关反应和催化剂的研究，以及固体催化的反应机理和催化剂失活方面的研究。在国际高水平学术期刊包括Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Catal.，App. Catal. B，J. Catal. 和AIChE.J等杂志发表SCI收录学术论文100余篇，申请专利50件，共授权30件。承担多项国家项目和企业项目，其中有国家自然科学基金面上项目、重大研究计划重点项目、企业创新联合基金重点项目，科技部863计划，教育部新世纪优秀人才项目，新疆生产建设兵团科技攻关项目，以及中石油、中石化，中海油及埃克森美孚等横向项目。
王雯：北京化工大学化学工程学院环境工程系教授。主要研究内容为一碳原料生物转化技术（CO/CO2+H2生物甲烷化，CO/CO2/CH4生物合成高碳酸、高碳醇、微生物蛋白）、有机废弃物资源化利用（有机废弃物厌氧产氢、产甲烷，农林废弃物“热解+厌氧”耦合体系）等。近年来主持国家重点研发计划国际合作重点专项、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京市科委科技计划、新疆生产建设兵团科技计划等纵向课题10余项。发表论文50余篇，获得授权专利16件。2015年入选北京市优秀人才青年骨干个人，2020年入选北京市科技新星计划。
刘超：北京化工大学化学工程学院环境工程系2020届博士，现广州大学博士后。主要研究方向为碳链延长、生物信息学分析等。近年来主持中国博士后基金面上项目等课题，以第一/共一作者在ACS Catalysis、Chemical Engineering Journal等期刊发表论文10余篇。
吉嘉铖：北京化工大学化学工程与技术专业博士生，主要研究方向为非均相催化、工业催化。
