太原理工大学周爱娟教授团队Water Research:微生物电合成体系链延长与同型产乙酸互作新机制:氯仿实现中链羧酸高效合成
第一作者：强海峰 博士研究生（太原理工大学）
通讯作者：刘芝宏 副教授（太原理工大学）、周爱娟 教授（太原理工大学）
合作作者：徐先宝 讲师、岳秀萍 教授（太原理工大学），Seongbong Heo 博士后（韩国汉阳大学），Jacek Makinia 教授（波兰格但斯克理工大学）
论文DOI:10.1016/j.watres.2026.125790
近日，太原理工大学周爱娟教授团队在环境领域顶级期刊Water Research上发表了题为“New insights into the interplay between chain elongation and homoacetogenesis in microbial electrosynthesis: chloroform-enhanced medium-chain carboxylate production”的研究论文。微生物电合成（MES）耦合链延长（CE）技术，是实现废弃生物质资源化、合成高附加值中链羧酸（MCCAs）的核心绿色生物制造路径。但该体系中普遍存在的同型产乙酸过程，会与链延长反应竞争关键底物、电子与还原力，造成碳通量锁定在低价值乙酸中，严重限制MCCAs的合成效率，而二者的互作机制与调控策略此前尚未被充分阐明。本研究针对这一瓶颈问题，首次系统探究了氯仿在MES-CE耦合体系中对同型产乙酸的靶向抑制作用，筛选出0.03%（质量分数）的最优投加剂量，使MCCAs产量较对照组提升103.0%，乙酸利用效率从43.5%跃升至94.3%，电子效率从21.8%提升至40.8%。研究从代谢通量、微生物群落演替、关键功能基因丰度、种间互作等多维度，揭示了氯仿调控同型产乙酸与链延长互作关系的核心机制；同时通过经济分析与生命周期评估（LCA），证实该策略可实现每立方米底物1.61~4.22美元的净经济收益，并显著降低全球变暖、酸化、富营养化等关键环境影响。该研究为电驱动生物制造过程的代谢冲突调控提供了全新的生态视角与工程化策略。针对MES-CE体系中同型产乙酸与链延长的核心代谢竞争瓶颈，本研究设置 0.0075%~0.045% 的氯仿浓度梯度，系统探究其对体系碳通量分配、功能微生物群落、关键代谢通路的调控作用。结果表明，0.03%（质量分数）为氯仿最优投加剂量，该条件下MCCAs产量达到2902.8 ± 116.1 mg COD/L，较对照组提升103.0%，同时实现了电子效率与乙酸利用效率的翻倍提升。氯仿通过干扰同型产乙酸关键酶功能，显著抑制了该竞争通路的代谢通量，将原本被锁定的还原力（H2/NADH）与核心中间体乙酰辅酶A定向释放至下游链延长反应；同时驱动微生物群落定向演替，链延长功能菌显著富集，微生物互作网络的模块化与协同性大幅增强，其中克氏梭菌（Clostridium_kluyveri）是链延长关键基因的核心功能贡献者。宏基因组分析进一步证实，氯仿处理后逆β-氧化（RBO）途径的关键基因丰度显著上调，而同型产乙酸相关基因丰度大幅降低，在基因水平验证了碳通量的定向重定向机制。经济与生命周期评估结果显示，该调控策略在提升产品收益的同时，可有效降低体系的环境足迹，具备良好的工程应用潜力。本研究系统阐明了MES体系中链延长与同型产乙酸的互作机制，为可再生电力驱动的高附加值生物制造过程优化提供了全新的思路与方法。微生物电合成与链延长耦合体系可通过电活性菌与链延长菌互作，实现中链羧酸的高效合成。然而，阴极产氢驱动的同型产乙酸过程会与链延长菌竞争底物，造成还原力耗散与碳通量循环，限制中链羧酸合成效率。目前，二者互作机制尚不明确。氯仿可作为同型产乙酸抑制剂，但其在该体系中的调控机制未知。本研究通过氯仿浓度梯度实验，系统解析其对碳通量、功能微生物及代谢通路的影响，旨在揭示互作规律并开发靶向调控策略。氯仿靶向抑制同型产乙酸，实现碳通量定向导向MCCAs合成
Fig. 1. Effects of chloroform concentration on MCCA synthesis performance (A–E), reaction kinetics (F), acetyl-CoA concentration (G), NAD+/NADH ratio (H), and pH (I). *, **, and *** indicate significance at p<0.05, p<0.01,and p<0.001, respectively.) Copyright 2026, Elsevier Inc.
氯仿投加对链延长性能表现出显著的浓度依赖性效应。0.03%（质量分数）氯仿处理组在反应第12天，MCCA产量达到2902.8±116.1 mg COD/L，较对照组提升103.0%；0.045%氯仿组MCCAs产量也较对照组提升67.8%，但过高浓度的氯仿因对微生物的毒性作用，导致产量出现一定程度下降。代谢动力学拟合结果显示，0.03%氯仿组虽启动速率略慢，但展现出最高的理论累积潜力，且产物降解几乎可忽略。代谢指标分析进一步证实了同型产乙酸的抑制效应：对照组表现出极低的H2积累与极高的CO2利用效率，反映了较强的同型产乙酸活性；而0.03%氯仿组实现了H2的适度积累，同时胞内NAD+/NADH比值从对照组的4.55大幅降至1.69，形成了更有利于链延长反应的还原态胞内环境。核心中间体乙酰辅酶A在氯仿处理组实现持续积累，而对照组的乙酰辅酶A则在反应前期达到峰值后快速下降，证实其被用于乙酸合成等非目标通路，而非链延长反应。该部分结果证实，0.03%氯仿可通过精准抑制同型产乙酸，破解代谢竞争冲突，将碳通量与还原力从低价值乙酸合成定向导向高附加值MCCAs的链延长反应。Fig. 2.Analysis of microbial communities in the cathodic biofilms of each treatment: microbial abundance heatmap (class and genus levels) (A) and circos diagram (phylum level) (B), relative abundance of CEB (C), EAB (D), and homoacetogens (E). Copyright 2026, Elsevier Inc.
微生物群落分析结果显示，氯仿处理显著改变了阴极生物膜与悬浮液中的微生物群落结构，实现了功能菌群的定向调控。作为链延长核心菌属，梭菌属（Clostridium）在0.03%氯仿组的阴极生物膜中相对丰度达到57.7%，较其他组提升24.9%~55.9%，且该菌属表现出明显的阴极生物膜富集特征，可直接利用阴极电子或H₂作为能源，在还原微环境中实现优势生长。与此同时，氯仿投加显著抑制了同型产乙酸菌（如Acetobacterium、Acetoanaerobium）的生长，在0.015%~0.045%氯仿组中，其在生物膜与悬浮液中的丰度均维持在1%以下，与对照组21.4%~43.5%的丰度形成鲜明对比，这与乙酸利用效率的提升趋势完全一致。而电活性菌（如Desulfovibrio、Pseudomonas）在适度氯仿浓度下仍保持良好的活性，为体系持续提供还原力。
Fig. 3.Microbial interaction network analysis in different treatments. Network interactions at the ASV level in cathode biofilm (c) and suspension (s) from Control and CHCl3(0.0075–0.045%) (A1–A5). Nodes represent ASVs; edges represent interactions between ASVs. Modules are randomly colored. Interactions among AFB, CEB, EAB, homoacetogens, and EOB (B1–B5). Red and blue lines indicate positive and negative correlations between ASVs, respectively.
微生物互作网络分析进一步揭示，0.03%氯仿组的微生物网络规模更大，总连接度、平均聚类系数与模块数均显著高于对照组，表明功能类群形成了更紧密的局部聚类，生态位分化与功能细分更显著，群落的抗干扰能力与自组织能力大幅增强。在该组中，链延长菌、电活性菌与其他功能类群以正相关互作为主；而对照组中，同型产乙酸菌与乙醇氧化菌和绝大多数链延长菌、电活性菌均表现为负相关，这种拮抗互作严重抑制了链延长核心代谢。结果证实，适度氯仿处理可显著降低菌群间的抑制性互作，增强功能类群的协同合作，最终实现链延长性能的显著优化。关键代谢通路调控与功能基因-物种关联分析
Fig. 4.Key metabolic pathways and functional genes in MES. Core metabolic pathways and key functional genes (A). Functional gene abundance (B). Abundance values were normalized using the Z-score transformation. Significant differences are indicated by * (p < 0.05), ** (p < 0.01), and *** (p< 0.001). Key genes encoding enzymes, along with their corresponding KO numbers, KEGG names, and abundances, are listed in Table S14.. Copyright 2026, Elsevier Inc.宏基因组分析从基因水平阐明了氯仿的核心调控机制。结果显示，0.03%氯仿处理后，同型产乙酸途径的关键基因（cooF、cooS、acsB）丰度较对照组下降73.9%~80.9%，直接证实了氯仿对该竞争通路的靶向抑制作用；而乙醇代谢途径中，乙酸生成相关基因ackA丰度显著降低，乙酸活化为乙酰辅酶A的相关基因ACSS1_2丰度大幅上调，有效避免了乙醇的过度氧化，提升了底物利用效率。作为链延长的核心代谢途径，逆β-氧化（RBO）途径的绝大多数关键基因（ACAT、fadN、fadJ、crt）在0.03%氯仿组中丰度显著提高，最大提高幅度达到2444.8%。同时，Rnf复合体相关基因显著上调，构建了高效的胞内NADH/铁氧还蛋白循环，持续为链延长途径供给还原力，这与胞内NAD⁺/NADH比值的变化结果完全一致。
Fig. 5. Association analysis between taxon-specific functions and key enzymes in the CE metabolic pathway. Three treatments were compared: (A) Control-c, (B) CHCl3-c (0.03%), and (C) CHCl3-c (0.045%). The heatmap plot presents the relative abundance of the related functional genes in various species. Z-score normalized abundance values are provided in Table S15. Taxonomic and functional classifications are provided in Table S16. (D) Mantel test examining correlations between major taxa and environmental variables. The color gradient represents the Pearson correlation coefficient, with *, **, and *** indicating significance at p < 0.05, p < 0.01, and p < 0.001, respectively. Edge width corresponds to the Mantel's r statistic for the respective distance correlation, and edge color indicates statistical significance. Copyright 2026, Elsevier Inc.物种-功能基因关联分析进一步明确了核心功能微生物的贡献：对照组中，同型产乙酸菌Acetobacterium_sp.是同型产乙酸与乙醇代谢通路相关基因的主要贡献者，驱动了体系的乙酸积累；而0.03%氯仿组中，克氏梭菌（Clostridium_kluyveri）是链延长相关关键基因的绝对主导贡献者，多数基因的贡献占比超过70%，同时形成了以Clostridium_kluyveri为核心的协同代谢网络，共同推动CO2、乙酸与乙醇向MCCAs的转化。策略的经济可行性与环境效益评估
为验证该技术的工程应用潜力，研究对每立方米剩余污泥发酵液生产MCCAs的过程进行了经济分析与生命周期评估（LCA）。结果显示，相较于对照组与其他投加组，0.03%氯仿调控策略可实现1.61~4.22美元/立方米的净经济收益提升，核心来源是高附加值MCCAs的产量大幅增加。
生命周期评估结果表明，该策略可同时降低全球变暖潜能（GWP）、酸化潜能（AP）与富营养化潜能（EP）等关键环境影响指标。保守性敏感性分析证实，即使在初始投加的氯仿100%无降解排放的最坏情况下，0.03%氯仿组每千克MCCAs的环境影响仍显著低于对照组。
研究同时指出，外源乙醇投加仍是目前体系的主要经济成本与环境瓶颈，其成本占总运行成本的21.89%，对全球变暖潜能的贡献占比达54.40%。未来通过优化底物配比、提升内源碳源转化效率、开发低环境影响的电子供体，可进一步提升该工艺的可持续性与工程化应用潜力。
本研究针对微生物电合成耦合链延长体系中，同型产乙酸与链延长的核心代谢竞争瓶颈，开发了氯仿精准调控策略，系统阐明了二者的互作机制，实现了高附加值中链羧酸的高效合成，为电驱动生物制造体系的代谢冲突调控提供了全新的生态视角与技术方案，也为废弃生物质资源化合成高附加值化学品的工程化应用提供了重要的理论支撑。强海峰：太原理工大学土木工程学院博士研究生，主要研究方向为废弃生物质资源化、电发酵与中链羧酸生物合成。以第一作者身份在 Water Research、Chemical Engineering Journal 等期刊发表SCI论文多篇。刘芝宏：太原理工大学土木工程学院副教授/博导，乌拉姆计划学者，担任Energy & Environment Nexus，Green Carbon，New Contaminants期刊青年编委，中科院1区TOP期刊Water Research, Bioresource Technology、Journal of CleanerProduction等10余个期刊审稿人。主要从事废弃生物质高值资源化和氮磷转化方面研究。主持2项国家自然科学基金项目和3项省部级科研项目。在Water Research等环境领域主流期刊上发表学术论文40余篇，授权国家发明专利5项（2项实现推广转化）。获得山西省优秀硕士学位论文指导教师（2025）、山西省科技合作二等奖（2023，4/8）、2022年最佳论文奖（ABBS, 2022）、山西省博士研究生优秀学位论文（2021）。周爱娟：女，太原理工大学土木工程学院教授/博士生导师、教学委员会委员、校级创新工作室负责人。国家重大人才工程青年学者（2025年）、山西省优秀青年项目获得者（2021年）、香港大学博士后。担任中国城镇供水排水协会青年工作者委员会委员、中国沼气学会青年专家委员会委员，山西省微生物学会环境微生物专业委员会副主任，Frontiers in Microbiology副主编、Separation and Purification Technology、Chemical Engineering Science、《中国给水排水》等多个国内外期刊青年编委。主要从事废弃生物质高值资源化利用方面的研究，获得山西省科技合作二等奖、山西省研究生教育教学成果一等奖等省部级教学和学术奖励5项。Permissions for reuse of all Figures have been obtained from the original publisher. Copyright 2026, Elsevier IncHaifeng Qiang, Xianbao Xu, Zhihong Liu, Seongbong Heo, Xiuping Yue, Aijuan Zhou ,Jacek Makinia, New insights into the interplay between chain elongation and homoacetogenesis in microbial electrosynthesis: chloroform-enhanced medium-chain carboxylate production, Water Research (2026), doi: https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125790https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135426004720
