在全球?qū)で蠡剂咸娲返谋尘跋?，利用海藻等海洋生物質(zhì)生產(chǎn)生物乙醇和生物氫等可再生能源已成為重要方向。傳統(tǒng)上，生物乙醇和生物氫的生產(chǎn)過(guò)程是分開的，而利用產(chǎn)乙醇菌發(fā)酵褐藻協(xié)同生產(chǎn)氫氣和乙醇是一種極具潛力的新興技術(shù)。然而，該過(guò)程的效率受到細(xì)胞內(nèi)電子載體(如NADH)數(shù)量和電子供給能力的雙重限制，現(xiàn)有的基因工程或環(huán)境調(diào)控策略往往會(huì)增加菌株的代謝負(fù)擔(dān)或工業(yè)化成本，成為該技術(shù)走向應(yīng)用的主要瓶頸。

本研究提出了一種“輔因子與氧化還原協(xié)同工程”新策略，通過(guò)外源添加煙酸(NA)和納米零價(jià)鐵(nZVI)，成功突破了生物燃料生產(chǎn)中的瓶頸。研究發(fā)現(xiàn)，煙酸作為合成輔因子NAD 的前體，能夠擴(kuò)大細(xì)胞內(nèi)的總NAD池，增加電子載體的“容量”;而納米零價(jià)鐵作為外部電子供體，則能提供額外的電子“供給”。當(dāng)兩者協(xié)同作用時(shí)，發(fā)酵褐藻水解液的生物能源轉(zhuǎn)化效率(BioECE)達(dá)到了33.57%，相較于對(duì)照組提升了84.65%。研究進(jìn)一步揭示，該策略的效果具有底物依賴性，在電子產(chǎn)出較少的葡萄糖發(fā)酵中效果更為顯著，這闡明了協(xié)同策略的核心優(yōu)勢(shì)在于同時(shí)解決了“電子載體容量”和“電子供給”兩個(gè)不同層面的限制因素。這項(xiàng)研究首次證實(shí)了通過(guò)協(xié)同調(diào)控輔因子庫(kù)和氧化還原狀態(tài)來(lái)克服代謝瓶頸的可行性，為從海洋生物質(zhì)中高效回收生物能源提供了經(jīng)濟(jì)且有效的新途徑。

該研究成果以“Unlocking synergistic hydrogen-ethanol co-production from brown algae through nicotinic acid-mediated NAD pool expansion”為題發(fā)表于International Journal of Hydrogen Energy雜志。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所李偉明研究員為第一作者兼通訊作者，卞夢(mèng)陽(yáng)、金燦、賈永鋒為共同作者，曾祥峰為共同通訊。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(42477248，52200041，42377251)、中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃、遼寧省優(yōu)青項(xiàng)目(2024JH3/10200025)等項(xiàng)目的資助。

圖1 煙酸(NA)與零價(jià)鐵對(duì)褐藻發(fā)酵的影響：(a)甘露醇消耗，(b)累計(jì)產(chǎn)氫量，(c)乙醇產(chǎn)量，以及(d)產(chǎn)物選擇性。

圖2 煙酸對(duì)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)合成及氧化還原調(diào)節(jié)的影響。(a) E. harbinense中的NAD合成途徑。(b) 通過(guò)qPCR測(cè)定煙酸磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶(NAPRT)和煙酰胺單核苷酸腺苷酸轉(zhuǎn)移酶(NMNAT)的相對(duì)基因表達(dá)量。NaMN：煙酸單核苷酸;NMNAT：煙酸單核苷酸腺苷酸轉(zhuǎn)移酶;NaAD：煙酸腺嘌呤二核苷酸;NADS：NAD合成酶。(c) 48小時(shí)時(shí)的總NAD濃度。(d) 48小時(shí)時(shí)的NADH與NAD?的比值。(e) 8天發(fā)酵過(guò)程中的氧化還原電位曲線