《Algal Research》：Engineered parasitism: Automated cyanobacteria conversion to bacterial leather for carbon sequestration
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面对气候变化背景下的无机碳排放、土地密集型培养基生产及不可持续皮革制造三大挑战，本研究创新性地将高效光合固碳的集胞藻（Synechocystis sp. PCC6803）作为产纤维素细菌（Komagataeibacter rhaeticus）的原料。研究构建了集成光生物反应器、自动化超声生物质处理器及连续挤出细菌皮革生物反应器的管道化系统，成功将大气CO2直接转化为可生物降解的细菌纤维素皮革。机械测试显示其峰值应力达32.5±5.6 MPa，杨氏模量0.603±0.045 GPa。研究还优化了培养基循环利用，证实蓝细菌裂解液可显著促进K. rhaeticus生长。该工作为将无机碳转化为有机产品的可扩展生物制造提供了新途径。
随着全球人口增长和能源需求激增，碳排放已升至危急水平。2022年，大气二氧化碳（CO2）浓度达到417.9 ppm，是两百万年来的最高记录，远超气候科学家认定的350 ppm安全上限。这种紧迫性催生了对创新解决方案的需求，旨在捕获无机碳并将其转化为有价值的产品。与此同时，传统的皮革制造业严重依赖化学鞣制，使用多达170种化学物质，产生大量有毒固体废物，并释放硫化氢（H2S）、氨（NH3）等有害气体，对环境和人类健康构成威胁。此外，生物制造和生物精炼领域对细胞培养的需求不断增长，而传统培养基的生产（主要源自谷物和农业副产品）需要大量的土地、能源和自然资源，构成了另一个重大的气候挑战。
在此背景下，来自麻省理工学院机械工程系的Ingie Baho、Yitong Tseo、Amber Brown、Vineet Padia和Ian Hunter在《Algal Research》上发表了一项开创性研究，题为“工程化寄生：自动化蓝细菌转化细菌皮革实现碳封存”。该研究旨在同时应对上述三大挑战：增加的无机碳排放、土地密集型的培养基生产以及不可持续的皮革制造实践。研究人员构想并实现了一条新颖的碳封存路径：利用具有高效光合作用的蓝细菌——集胞藻（Synechocystis sp. PCC6803，简称Syn. PCC6803）——作为产纤维素细菌（Komagataeibacter rhaeticus，简称K. rhaeticus）的原料。他们的系统集成了一个蓝细菌光生物反应器、一个自动化超声生物质处理器和一个连续挤出的细菌皮革生物反应器，形成了一条机械和液力管道，能够直接将大气中的CO2固定到细菌纤维素中，从而提供一种可生物降解的皮革替代品。
为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：
- 1.
集成生物制造系统构建：设计并建造了一个包含光生物反应器、裂解模块、过滤模块、连续培养/清洗模块和收集模块的完整自动化管道系统，实现从蓝细菌培养到细菌皮革收集的全流程。
- 2.
蓝细菌培养与代谢物提取：在配备pH、溶解氧（DO）、温度和在线光学密度（OD）探针的光生物反应器中培养集胞藻。当达到指数生长高峰时，通过超声探头裂解细胞，并结合酸/碱处理（HCl和NaOH）将细胞内的糖原水解为葡萄糖，最后通过压力过滤（0.22 μm滤膜）获得澄清的富含葡萄糖的裂解液，作为K. rhaeticus的培养基。
- 3.
连续细菌皮革培养与后处理：设计并运行了连续挤出的细菌纤维素生物反应器，利用3D打印的聚碳酸酯浮标在培养开始时自动嵌入纤维素网络中，实现无菌启动和连续挤出。挤出的纤维素水凝胶通过被动张力辊去除多余培养基，然后程序化地经过NaOH、HCl和去离子水清洗。最终，对干燥的细菌纤维素薄膜进行气雾化表面处理（测试了椰子油、亚麻籽油和虫胶），并收集在电机驱动的线轴上。
- 4.
培养基循环利用实验：一方面，将集胞藻裂解液作为碳源，用于培养K. rhaeticus，评估其替代标准培养基中葡萄糖的效果。另一方面，将K. rhaeticus使用过的培养基（HS培养基）进行碱水解、灭菌过滤，并补充关键营养素（磷酸盐、镁、钙、硝酸盐）后，用于重新培养集胞藻，以探究养分循环的闭环可能性。
- 5.
分析与表征技术：使用高效液相色谱法（HPLC）定量分析集胞藻裂解液中的葡萄糖浓度；通过微孔板分光光度计测量K. rhaeticus和集胞藻在不同培养基中的生长曲线（OD值）；搭建定制拉伸测试装置，对经过不同表面处理的细菌皮革样品进行单轴拉伸测试，以表征其杨氏模量、峰值应力和韧性。
研究结果
3.1. 蓝细菌原料
在连续光照下培养7天的集胞藻，其生物反应器内的pH、溶解氧和温度被持续监测。利用HPLC对裂解液进行的离线葡萄糖浓度测量显示，提取的葡萄糖产量在7天的培养期内有所变化，在第3天达到峰值，浓度约为5.08 mg L-1。方差分析（ANOVA）表明，不同培养天数的葡萄糖浓度存在统计学显著差异（F=9.71, p=2.5×10-4），最大的差异出现在培养的前两天。
3.2. 细菌皮革加工
3.2.1. 连续细菌皮革培养
通过引入被动张力辊和创新的3D打印聚碳酸酯浮标，成功实现了细菌纤维素的连续、无菌挤出培养。浮标在培养开始时被嵌入生长的纤维素网络中，形成了牢固的连接点，即使在纤维素片干燥处理后，浮标也依然嵌入材料中，这为解决启动污染问题和在未来集成功能性组件（如纽扣）提供了新方法。
3.2.2. 细菌纤维素洗涤后处理
对细菌纤维素进行了三种气雾化表面处理（椰子油、亚麻籽油、虫胶）的评估，所有处理均能有效防止薄膜在收集过程中的粘连。机械性能测试表明，经椰子油处理的细菌皮革表现出最佳的力学增强效果：与未处理组相比，杨氏模量增加了13.8%（0.603 ± 0.045 GPa），峰值应力增加了49.1%（32.5 ± 5.6 MPa），韧性增加了72.4%（1.00 ± 0.46 MJ/m3）。尽管部分数据的p值未达到高度显著水平（p=0.12-0.50），但所有测量参数的一致上升趋势表明了有意义的机械增强，因此椰子油被选为该系统的默认后处理方案。
3.3. 循环培养基经济
在K. rhaeticus培养实验中，与不含葡萄糖的标准HS培养基相比，添加了集胞藻裂解液的培养基在培养第4天使K. rhaeticus的细胞浊度（OD600）达到了峰值增加189%（p=0.017）；与含葡萄糖的完整HS培养基相比，也增加了1.26倍（p=0.23）。这表明集胞藻裂解液可以有效地替代葡萄糖，促进K. rhaeticus的生长，尤其在培养中期（第3-5天）效果显著。
在反向循环实验中，将使用过的K. rhaeticus培养基（HS培养基）经过碱水解、补充关键营养素后，用于培养集胞藻。结果显示，在培养第2天，使用这种回收培养基培养的集胞藻生长密度达到了与标准BG-11培养基相当的水平。这表明，经过处理的废弃K. rhaeticus培养基可以部分替代BG-11培养基中的多种成分（如柠檬酸、乙二胺四乙酸（EDTA）、碳酸钠和多种微量元素），为建立循环培养基经济提供了概念验证。实验还证实，碱水解和HEPES缓冲步骤对于释放K. rhaeticus细胞内的营养物质并促进集胞藻生长至关重要。
研究结论与意义
这项研究展示了一个集成、自动化和低成本的生物制造管道，能够将大气中的CO2直接转化为细菌纤维素，最终制成细菌皮革。通过结合集胞藻光生物反应器、超声生物质处理模块、连续纤维素挤出系统和自动化清洗单元，该工作为可持续的细菌皮革生产奠定了基础，并推进了碳封存策略。
核心结论包括：
- 1.
技术可行性得到验证：成功构建并运行了从大气固碳到细菌皮革产出的完整自动化系统，证明了该技术路线的可行性。
- 2.
碳转化路径实现：利用高效光合固碳的集胞藻作为原料，供养产纤维素的K. rhaeticus，实现了将无机大气碳转化为有机碳产品（细菌皮革）的直接路径。
- 3.
材料性能具潜力：所生产的细菌皮革经过椰子油处理后，表现出有前景的机械性能（峰值应力32.5 MPa，杨氏模量0.603 GPa），为替代传统皮革提供了材料基础。
- 4.
资源循环初现闭环：实验证实，集胞藻裂解液可作为K. rhaeticus的有效碳源，而使用过的K. rhaeticus培养基在补充关键营养素后可重新用于培养集胞藻，这为最大化代谢效率和减少外部资源输入、构建循环培养基经济提供了重要的概念证明。
重要意义：
本研究的意义在于提出并实践了一种“工程化寄生”的系统工程范式，将两种微生物（光合蓝细菌和产纤维素细菌）的代谢能力进行耦合，以应对多重环境挑战。它不仅为皮革、纺织等行业提供了一种潜在的碳中和甚至碳负性替代材料，还通过培养基的循环再利用设计，朝着资源高效利用的闭环生物制造迈出了关键一步。尽管当前蓝细菌裂解液的葡萄糖产量尚不足以完全替代传统碳源，且规模化面临能量输入、污染控制等挑战，但该工作建立了一个可扩展的框架，并为理解两种微生物在耦合系统中的代谢相互作用提供了基线数据。未来通过优化培养条件、裂解效率、水解工艺以及深入进行代谢组学分析，有望进一步提升系统的经济性和环境效益，最终实现完全循环、封闭的碳负性生物材料制造。
