梭菌产氢气涉及的代谢网络

生物制氢作为一种环境可持续技术，具有巨大潜力来生成清洁燃料。在生产生物氢气的不同方法中，暗发酵具有最高的生产率，并可作为处理有机废弃物生物质的手段。在这种方法中，梭菌属（Clostridia）具有最高的理论产氢率。然而，大多数菌株的实际产量远低于理论最大值：为达到成本效益的发酵过程，提高它们的效率变得必要。本综述旨在提供关于梭菌属产生氢气所涉及的代谢网络以及通过代谢工程改善该网络的策略的概览。除了当前成就外，还将说明实施这些结果的一些未来展望。

Mazzoli R, Pescarolo S, Gilli G, Gilardi G, Valetti F. Hydrogen production pathways in Clostridia and their improvement by metabolic engineering. Biotechnol Adv. 2024 May 14:108379.

随着对低碳社会需求的增加，氢气（H2）成为一种理想的能源载体，具有高能量含量（122 kJ/g）和清洁燃烧产物。氢气可以通过多种方法生产（例如，甲烷的蒸汽重整、煤的气化、水的电解），但生物技术方法提供了基于H2的能源政策的重要额外环境可持续性，因为它们不依赖于化石燃料的使用。目前用于生物制氢的技术由于产量低和经济可行性不足而受限。生物制氢的生产成本最近估计为每公斤H2 1.2–4.3欧元，而通过天然气/煤重整和部分氧化等传统方法获得的H2的成本范围为每公斤H2 0.8–1.6欧元。然而，从化石燃料生产的H2会产生大量温室气体排放（例如，对于CH4蒸汽重整，每公斤H2产生的CO2为9公斤），并且预计到2030年，由于碳排放税的原因，其成本将高于碳排放较低的绿色过程，如水电解或生物技术方法。从这个角度来看，与水电解相比，生物制氢通常被认为具有更高的全球变暖潜力（即更高的CO2排放量），但成本更低（水电解的成本为每公斤H2 2.35–10.36欧元）。

微生物产生H2是一种处理过量还原当量的手段（由发酵代谢或缺氧光合作用活动产生），或者是固氮酶固定N2的副产品。生物制氢可以通过光驱动过程（即直接和间接生物光解、光发酵）通过光合微生物（例如，绿藻、蓝细菌、紫色非硫细菌）获得，或者通过所谓的暗过程，即通过一些异养微生物（主要是细菌）厌氧发酵有机化合物获得。这些生物技术替代方案中的每一种都受到特定问题的限制。光驱动过程利用廉价且丰富的资源，如阳光、水和生物质，但由于光转换效率有限，其生产力通常较低。暗发酵具有更高的H2生产力，可用于处理有机废弃物生物质，并得到现有生物反应器技术的支持，尽管其产量较低。光驱动过程已在其他地方广泛回顾。本综述将重点关注暗发酵，特别是涉及微生物代谢改进方面的重点。

在通过暗发酵产生H2的微生物中，像大肠杆菌（Escherichia coli）和肠杆菌属（Enterobacter sp.）这样的兼性厌氧菌，其最大理论产氢率为每摩尔葡萄糖产生2摩尔H2。在这些菌株中，H2是通过甲酸氧化酶催化甲酸产生的。而像梭菌属（Clostridium spp.）这样的专性厌氧菌，其从葡萄糖发酵产生的最大理论H2产量是前者的两倍。在这些细菌中，NADH（来自糖酵解）和还原型的铁氧还蛋白（Fdred，由丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶Pfor产生）的电子都可以被氢化酶（H2ases）用来合成H2。当糖类发酵产生乙酸（和CO2）时，可以获得最大的H2产量，而当积累更多还原产物（例如，丙酸、丁酸、乳酸、乙醇）时，产量则较低。有优势的是，一些菌株如C. perfringens ATCC 13124和C. pasteurianum DSM525已被报道接近理论最大值产生H2。然而，大多数梭菌属观察到的H2产量远低于理论最大值（≤25%），并且根据菌株和培养条件的不同而有较大差异。

事实上，H2产量受到许多培养参数的显著影响，例如碳源的数量、搅拌、H2分压（pH2）、pH值、生物反应器操作模式（批式、流加式、连续式）以及生物反应器类型（例如，搅拌罐、上流式厌氧污泥床、厌氧流化床或膜生物反应器）。例如，pH2可以显著影响生物H2生产的热力学。通过葡萄糖氧化为乙酸产生H2的反应（葡萄糖 +4 ADP + 4 Pi ⇆ 2 乙酸 +2 CO2 + 4 ATP + 2 H2O + 4 H2）在溶解H2浓度从10^-9 M到1 M变化时，其ΔrG'm（即，当所有反应物的浓度为1 mM时与代谢反应/途径相关的吉布斯自由能变化）可以从−205.1变化到0.2 kJ/mol。降低生物反应器中的pH2的不同技术已经可用（例如，搅拌生长介质，用惰性气体喷射生长介质，用真空泵抽气，通过活性膜选择性移除H2），但需要进一步研究以开发更有效且经济的方法。

独立于H2产量，包括由梭菌属催化的暗发酵过程导致大量碳副产品的积累，这些副产品需要处理。去除暗发酵副产品的优势方法包括两级过程，将暗发酵与例如光发酵结合，从而产生额外的H2，或者与厌氧消化结合，从而产生甲烷。此外，已经建立了互生细菌共培养，通过克服热力学障碍和/或消除副产品抑制效应，从而提高了H2产量。有利地是，已有实验证据表明，几种梭菌属如C. butyricum、C. pasteurianum和C. bifermentans是电活性细菌，即能够进行细胞外电子转移。通过将梭菌属菌株与氧化乙酸的电子供体Geobacter细菌共培养，无论是通过间接方式（即通过人工细胞外电子穿梭体）还是直接方式（通过类似菌毛的结构），都已经获得了改善的发酵型H2产量。然而，值得记住的是，在工业规模上保持稳定的人工微生物群落通常具有挑战性，因为可能需要不同的条件（例如温度、pH值）来满足微生物伙伴的生长或代谢活动。

或者，通过代谢工程改善梭菌菌株来实现同一目标，正如许多近期综述所总结的。已经开发出通用系统，能够克服梭菌传统上难以进行基因操作的难题。这些技术使得对梭菌进行系统性的代谢工程成为可能，从而提高了几种工业相关化合物的生产量，其中包括多种生物燃料，如乙醇、丁醇、异丁醇、中链酯。最近，基于成簇规律间隔短回文重复序列（CRISPR）/Cas（CRISPR相关）技术编辑梭菌基因组的额外工具变得可用，或者用于通过核糖开关精细调控基因表达。

代谢工程也有望成为提高梭菌产氢量的关键工具。全面重组新陈代谢可能会扩大底物范围并增加最大理论产量。梭菌在产氢方面的优越天然水平和目前高效可靠的基因工具的可用性，使其成为工业生物氢气生产的最佳候选者之一。本综述将聚焦于通过代谢工程增强梭菌产氢能力的策略。这将在前面的章节中分析中心代谢和氧化还原代谢以及直接参与催化这些细菌产氢的酶的基础上进行。