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内容形式：摘要译文
电微生物生产（EMP）技术旨在结合可再生电力、CO2和工程微生物，以高于光合作用的效率生产高能量密度分子。CO2可通过电化学还原转化为甲酸盐；与H2或电极相比，甲酸盐在实验室中更易于操作，但其每个碳原子仅携带两个电子，而生物燃料中的每个碳原子则携带六个电子。其余电子必须通过氧化额外的甲酸盐、氧化H2或胞外电子摄取（EEU）获得，而目前尚未有研究结合碳同化途径的选择，对这些供电子方式进行严格比较。我们采用近期文献调研所得的电化学参数，计算了六种碳同化途径分别与全部三种电子传递机制配对时生产丁醇的效率上限。电能到丁醇的能量转化效率为35.5%至51.7%，对应的太阳能到燃料的转化效率为11.7%至17%，因此，即使是效率最低的路线，也超过了藻类光合作用8%的理论上限。还原性甘氨酸途径的丝氨酸变体在采用H2氧化时，其电能转化效率与最高效途径仅相差1.9个百分点，而且是唯一能够耐受O2的高效方案。因此，将甲酸盐介导的电子传递与还原性甘氨酸途径的丝氨酸变体相结合的EMP系统极具吸引力，因为该系统在实验室中进行快速迭代式工程改造的障碍很少，且具有较高的理论效率上限。在当前先进的全电池电压（2.2 V）下，同时由甲酸盐提供碳和电子，相较于采用H2会造成6.2个百分点的效率损失。然而，这一较小的效率损失会被放大三倍，只要CO2转化为甲酸盐的
电池电压，并在已报道的放大规模CO₂制甲酸盐电解槽的最高全电池电压下达到13.5个百分点；在此电压下，仅使用甲酸盐时的电能到燃料转化效率和太阳能到燃料转化效率分别降至11.2%和3.7%，后者低于光合作用效率的上限，而使用H₂时，这两项效率分别为24.7%和8.1%（后者仅略高于藻类光合作用效率）。因此，在仅使用甲酸盐的系统与耦合H₂氧化或EEU的系统之间如何选择，取决于我们对CO₂还原技术发展轨迹的判断。如果全电池电压继续以过去十年的速度下降，那么仅使用甲酸盐就是合适的目标，而且只需付出较低代价即可获得流程简化的优势。然而，如果这一改进趋于停滞，则电子供给机制必须能够更换，且系统从设计之初就应具备这种可更换性。按照美国能源部SunShot计划设定的每千瓦时2美分的目标电价，以当前最先进技术水平运行的仅使用甲酸盐的系统，每生产一美制加仑丁醇所需的电力成本为1.40美元；在已报道的放大规模电解槽的最高电压下，该成本升至5.45美元；相比之下，甲酸盐与H₂耦合系统的相应成本分别为1.23美元和2.47美元。
关键词：电微生物生产 · 甲酸同化 · 还原性甘氨酸途径 · 电子传递机制 · 能量转化效率 · 丁醇生物合成
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.26.754500v1?rss=1