生物炭介导的厌氧发酵强化琥珀酸生物合成：机理探索与可持续性评估

本研究创新性地利用果木生物炭(FWBC)作为多功能增强剂，通过优化电子传递链和维持胞内代谢平衡，将大肠杆菌(E. coli) Suc260的琥珀酸(SA)产量提升至72.84 g/L（产率93.03%）。研究结合FTIR和SEM技术揭示了微生物-生物炭基质互作机制，并通过Aspen Plus模拟证实该工艺具有负碳足迹(−0.651 kgCO2e/kgSA)和低能耗(8.76 MJ/kgSA)优势，为生物基平台化合物的绿色制造提供了新范式。

Highlight

果木生物炭(FWBC)展现出最显著的琥珀酸增产效果，较对照提升10.70%，其独特的孔隙结构和表面化学特性为微生物附着提供了理想基质。傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示生物炭表面含氧官能团（如羧基和酚羟基）与微生物膜蛋白形成氢键，扫描电镜(SEM)观察到E. coli细胞在FWBC三维网络中的密集定殖现象。

Effects of different feedstock-derived biochar on succinic acid production

如图2所示，不同原料生物炭对发酵效率的增强效果存在显著差异。FWBC组获得52.95 g/L的琥珀酸浓度，其促进作用归因于：① 加速NADH/NAD⁺循环的电子穿梭效应；② 通过表面负电荷吸引质子维持胞内pH稳态；③ 多孔结构形成的"微反应器"延长细胞活性周期。特别值得注意的是，FWBC使副产物乙酸和甲酸分别降低37.2%和28.6%，表明其能定向引导碳流向还原性TCA循环分支。

Conclusion

FWBC作为厌氧发酵系统的多效增强剂，通过三重机制发挥作用：物理层面构建细胞庇护所，化学层面优化氧化还原平衡，生物学层面重构代谢网络。工艺模拟显示，与传统发酵(CFSA)相比，生物炭介导工艺(BMSA)每千克产品可多固定0.42 kg CO₂，且分离纯化能耗降低19.3%。该研究为"碳负排放"生物制造技术开发提供了理论和技术支撑。