大家好，今天推送的文章是来自Bioelectrochemistry的“Biomass sugar-powered enzymatic fuel cells based on a synthetic enzymatic pathway”通讯作者是中国科学院大学的石培康。
目前开发了多种以木质纤维素为原料制造固定生物质衍生能源的方法，然而由于产品产量和能源效率问题，在分散生物质收集、处理，小规模设备和技术以及经济可行性方面，仍有待探索和改进。
酶促燃料电池（EFCs）是一种新兴的电化学系统，它通过酶反应介导将化学能转化为电，模拟细胞内的自然氧化反应产生能量，其依赖于环保生物催化剂和可再生生物基燃料，具有高安全性和生物相容性，是良好的发电电源。
木质纤维素由大量的木质纤维素生物质的糖组成，主要是葡萄糖和木糖，具有作为EFCs高能量密度燃料的巨大前景。
目前木质纤维素作为原料受到以下两个原因的限制，功率、稳定性和能量密度不高。
其一是预处理或分离过程产生有毒或有害的副产物阻碍酶催化和电子转移，其二是酶的数量有限不足以充分氧化生物质。
无法达到原则上，葡萄糖和木糖作为生物质的主要成分，被完全氧化，每个分子可分别产生的24个和20个电子。
合成酶途径基于体外代谢工程的原理，可克服单酶生物催化的局限性，完成燃料的完全转化。
为消除木质纤维素中成分复杂、结构坚固的不利条件影响，作者构建一个合成酶途径，以完全氧化葡萄糖和木糖从预处理生物质在EFC，以实现接近理论的法拉第效率和有效的糖协同利用。
并通过对关键抑制剂在生物质样品中的作用进行评价和对反应条件进行系统优化，可以获得EFC较高的功率密度和稳定性，其蓝牙低能耗也提高了便携性。
首先为了获得最大的电子产量，作者设计了体外多酶途径来氧化以葡萄糖和木糖为主的生物糖。
如下图所示。
该途径包含16种酶的途径可分为三个功能模块：（1）从预处理后的生物质中水解葡聚糖和木聚糖释放葡萄糖和木糖；（2）从5-磷酸核酮糖（R5P）循环为6-磷酸葡萄糖（G6P）；（3）通过分离酶（DI）将电子传递到电极产生还原的维生素K3（VK3）。
理论上每个葡萄糖分子或木糖分子可以通过这种多酶途径分别产生24个或20个还原的NADH分子。
并在模块（3）中，还原的NADH分子同时被DI氧化，将一个电子转移到VK3介导的电极上，从而总共产生44 mol的电子。
该途径以常见的玉米秸秆为原料，使用真菌对预处理后的材料进行生物解毒，之后酶解释放糖单体。
为了量化生物质水解物中葡萄糖和木糖的完全氧化，作者首先在EFCs中使用纯糖单体作为燃料进行了实验，证明酶途径在EFC阳极每个葡萄糖分子释放24个电子，每个木糖分子释放20个电子，生物质水解物中葡萄糖和木糖的几乎所有电子都可以在EFC中提取。
实现生物质动力EFCs的高功率输出，需先排除潜在的抑制剂对EFCs的影响。
所以作者首先选取ZN1可用于降解糠醛和羟甲基糠醛（HMF）等毒素，但生物质水解物仍然包括糠醛、HMF、甲酸和乙酸。
为了部分去除生物质水解物中的杂质，提高生物质糖动力EFCs的性能，作者采用1%（w/w）活性炭进行物理吸收，去除了生物质水解物中的大部分抑制剂（如下图所示），并能显著提高生物质糖动力EFC的性能。
接下来，作者进一步优化由生物质水解物驱动的EFC的功率密度，评估了各种酶的负荷和实验温度。
结果表明，下表中的酶负荷可以降低到一半，EFC的功率密度保持不变。
所有所使用的酶都来自嗜热菌，优化所得的最适温度为37℃。
之后作者对EFC的长期性能进行了评估，如下图所示。
EFC最初的最大功率密度保持4天后下降，但10天后仍保持约初始值的60~70%。
表明EFC使用的耐高温酶，使得合成酶途径介导的生物质糖动力EFC具有良好的稳定性。
作者还证明了EFC的蓝牙低能量（BLE）的能力，如下图所示，作者使用5个EFCs，在300秒内将DC-DC转换器的2.2 mF电容器充电到最大值（3.13 V），说明该电容器可以从EFC中获取电子。
在连接BLE后，LED变亮，电容器的电压在近10 min后下降到大约2.0 V。
一旦断开BLE，电容器的电压值开始恢复到3.13 V。
随着燃料消耗，电压降到1V以下，说明BLE利用了EFC的功率。
通过EFC的串行连接或其他方法来提高EFC的性能，可在不久的将来为BLE和其他便携式设备提供更长的供电时间。
结合以往的研究，为了提高生物质向电的转化，进一步的研究可以集中在其他预处理技术上，如纤维素溶剂和有机溶剂木质纤维素分馏或氨纤维膨胀，以保留更多可用的糖，实现更高的能量密度。
在预处理步骤中，生物质可以降解为多种化合物，这对随后的水解和进一步的单糖利用产生负面影响。
本研究选用的四种抑制剂（糠醛、HMF、甲酸和乙酸），几乎没有观察到其对功率输出的负面影响。
在活性炭物理吸附后，EFC的功率密度显著提高，表明生物质水解物中的其他化合物可能会影响EFC的性能，需要进一步研究这些化合物及其相应的效应。
或者随着蛋白质工程的发展，EFCs中可以使用改造后抑制剂耐受性强的酶，以提高功率密度。
除了EFCs外，微生物燃料电池（mfcs）还可以将生物质糖转化为电能。
尽管如此，与mfc相比，EFC的发展仍面临着一些重大的挑战，限制了其实际应用，包括运行稳定性差，运行成本高。
应开发蛋白质工程和人工辅酶构建等策略，以提高稳定性和降低成本。
ATP问题可以通过添加ATP再生酶聚磷酸激酶来解决，或者挖掘出其他可以使用聚磷酸盐的酶来解决。
关于氧的影响，应该利用对氧不太敏感的介质来减少氧和电极之间获得电子的竞争结果表明，基于多酶途径的生物质动力EFC在一锅反应中具有接近理论的共生效率和高功率密度。
此外，物理吸附还降低了生物质水解物对EFC发电的负影响。
这种EFC具有巨大的燃料灵活性、高安全性、高功率密度、低成本和长寿命，可以在不久的将来可以提供各种有前途的教育、户外和可穿戴应用。
文章信息：DOI：10.1016/j.bioelechem.2021.108008END
