Molecular mechanism of ethanol-H2 co-production fermentation in anaerobic acidogenesis: Challenges and perspectives

产酸作用 氢化酶 发酵 生物化学 醋酸激酶 制氢 乙醇燃料 铁氧还蛋白 乙酸化 微生物代谢 细菌 代谢途径 地杆菌 化学 产甲烷 生物 新陈代谢 厌氧消化 基因 催化作用 遗传学 生态学 甲烷 大肠杆菌 生物膜
作者
Zhen Li,Jiayu Gu,Jie Ding,Nanqi Ren,Defeng Xing
出处
期刊:Biotechnology Advances [Elsevier BV]
卷期号:46: 107679-107679 被引量:23
标识
DOI:10.1016/j.biotechadv.2020.107679
摘要

Ethanol-type fermentation (ETF) is one of three fermentation types during the acidogenesis of the anaerobic biological treatment. Ethanoligenens, a representative genus of ETF, displays acidophilic, autoaggregative, and ethanol-H2 co-producing characteristics and facilitates subsequent methanogenesis. Here, the latest advances in the molecular mechanisms of the metabolic regulation of ethanol-H2 co-producing bacteria based on multi-omics studies were comprehensively reviewed. Comparative genomics demonstrated a low genetic similarity between Ethanoligenens and other hydrogen-producing genera. FeFe‑hydrogenases (FeFe-H2ases) and pyruvate ferredoxin oxidoreductase (PFOR) played critical roles in the ethanol-H2 co-metabolic pathway of Ethanoligenens. Global transcriptome analysis revealed that highly expressed [FeFe]-H2ases and ferredoxins drove hydrogen production by Ethanoligenens at low pH conditions (4.0–4.5). Quantitative proteomic analysis also proved that this genus resists acetic acid-induced intracellular acidification through the up-regulated expression of pyrimidine metabolism related proteins. The autoaggregation of Ethanoligenen facilitated its granulation with acetate-oxidizing bacteria in co-culture systems and mitigated a fast pH drop, providing a new approach for solving a pH imbalance and improving hydrogen production. In-depth studies of the regulatory mechanism underlying ethanol-H2 co-production metabolism and the syntrophic interactions of ethanol-H2 co-producing Ethanoligenens with other microorganisms will provide insights into the improvement of bioenergy recovery in anaerobic biotechnology. The coupling of ETF with other biotechnologies, which based on the regulation of electron flow direction, syntrophic interaction, and metabolic flux, can be potential strategies to enhance the cascade recovery of energy and resources.
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