在我国力争实现“双碳”目标的背景下，能够将CO2转化为生物化学品的微生物电合成（Microbial Electrosynthesis，MES）技术受到了广泛的关注。MES系统利用微生物作为生物催化剂，直接或间接地从电极上吸收电子，将CO2转化为短链脂肪酸（C1~C5）和中链脂肪酸（C6~C12）等增值化学品。其中乙酸是CO2还原产生的重要初级产物，作为基础原料和催化剂被广泛应用于化工、农药、医药等领域。同时，乙酸也是合成多碳化合物的基础，为多碳化合物提供碳骨架。因此乙酸的合成效率是决定其他多碳化合物合成效率的关键。但是，目前在CO2微生物电合成乙酸的过程中还存在着微生物种群电子转移机制不清、CO2转化效率不高和产物降解等诸多问题，制约了MES技术的进一步发展和应用。
针对以上问题，刘和教授团队近期相继在ACS ES&T Engineering（2025，10.1021/acsestengg.4c00881）和ACS Sustainable Chemistry & Engineering（2025年，13卷11期）期刊发表了题为“Accumulated acetate serves as a driving force for the succession of heterotrophic microbiome and acetate degradation in microbial electrosynthesis system”和“Regulatory mechanisms of electron supply modes for acetate production in microbial electrosynthesis system”的研究成果。
课题组构建了基于混合微生物菌群实现CO2转化的MES体系，首先探讨了MES系统造成产物乙酸降解的原因并利用DNA-SIP技术识别混合菌群中导致乙酸降解的微生物群类群和演替机制。结果表明，MES系统中乙酸产物的逐渐累积驱动了混合微生物的群落演替，主要存在于阴极室悬浮液中降解乙酸的异养微生物菌群逐渐增长，导致MES逐步由乙酸合成转向乙酸降解（图1）。进一步，通过DNA-SIP耦合宏基因组分析识别出这些降解乙酸的优势物种属于Rhodocyclaceae，包括Azonexus_hydrophilus、Azonexus_fungiphilus等。微生物群落的相关性分析结构表明，电流（电子供给）显著影响了生物膜和悬浮液的微生物群落结构，因此，MES系统中的电子供给可能是潜在的调控MES系统乙酸合成的关键手段（图2）。
基于上述研究结果，考虑到电极电子和H2是MES系统中两种主要的电子形式，因此课题组开发了外加电压和氢分压两种调控措施，分别重点调控悬浮液和生物膜的电合成微生物群落，并解析了两种电子供给模式对乙酸合成的调控机制。结果表明，适当的外加电压（1.6V）可直接调控阴极生物膜微生物，促进了生物膜中同型产乙酸菌的快速富集和生物阴极的电化学性能。氢分压主要调控阴极室内悬浮液中微生物群落，显著提升了悬浮液中同型产乙酸菌的丰度，在PH2-1.00条件下时表现出最好的乙酸合成性能（1117.63 mg/L）和库伦效率（71.06%）。同时，两种电子供给模式均降低了乙酸降解菌unclassified_f_Rhodocyclaceae的相对丰度，促进了与乙酸合成相关的基因相对丰度的提升（图3），表明两种电子供应模式不仅抑制了乙酸的降解，同时还进一步促进了乙酸的合成。
以上研究揭示了MES系统中进行乙酸电合成的混合微生物群落的电子利用方式，阐明了乙酸无法持续累积的原因，发展了外加电压和氢分压对阴极生物膜和悬浮液微生物进行调控的手段并阐明了调控机制（图4），研究结果显著提升了MES系统的乙酸合成效率，对推动MES技术的持续发展具有重要意义。
论文的第一作者为2020级博士生张超，目前以第一作者在ACS ES&T Engineering、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Bioresource Technology等期刊发表SCI论文3篇。通讯作者为欧洲杯下单平台的刘和教授。
近年来刘和教授团队在CO2微生物电化学转化合成高附加值产物领域持续开展深入研究，在微生物电合成技术的固碳机制与调控、有机固废厌氧转化资源化利用等方面取得了丰硕成果，相关成果发表在Water Research、Applied and Environmental Microbiology、Chemical Engineering Journal、Bioresource Technology、ACS Sustainable Chemistry & Engineering等领域内权威期刊。
图1 MES系统中乙酸降解微生物的演替规律
图2 微生物群落与反应器理化特性的相关性分析
图3不同电子供给模式对电子转移、能量转换和WL途径相关基因相对丰度的影响
图4外加电压和氢分压对生物膜和悬浮液微生物的交互调节机制
