在全球寻求化石燃料替代品的背景下，利用海藻等海洋生物质生产生物乙醇和生物氢等可再生能源已成为重要方向。传统上，生物乙醇和生物氢的生产过程是分开的，而利用产乙醇菌发酵褐藻协同生产氢气和乙醇是一种极具潜力的新兴技术。然而，该过程的效率受到细胞内电子载体(如NADH)数量和电子供给能力的双重限制，现有的基因工程或环境调控策略往往会增加菌株的代谢负担或工业化成本，成为该技术走向应用的主要瓶颈。

本研究提出了一种“辅因子与氧化还原协同工程”新策略，通过外源添加烟酸(NA)和纳米零价铁(nZVI)，成功突破了生物燃料生产中的瓶颈。研究发现，烟酸作为合成辅因子NAD 的前体，能够扩大细胞内的总NAD池，增加电子载体的“容量”;而纳米零价铁作为外部电子供体，则能提供额外的电子“供给”。当两者协同作用时，发酵褐藻水解液的生物能源转化效率(BioECE)达到了33.57%，相较于对照组提升了84.65%。研究进一步揭示，该策略的效果具有底物依赖性，在电子产出较少的葡萄糖发酵中效果更为显著，这阐明了协同策略的核心优势在于同时解决了“电子载体容量”和“电子供给”两个不同层面的限制因素。这项研究首次证实了通过协同调控辅因子库和氧化还原状态来克服代谢瓶颈的可行性，为从海洋生物质中高效回收生物能源提供了经济且有效的新途径。

该研究成果以“Unlocking synergistic hydrogen-ethanol co-production from brown algae through nicotinic acid-mediated NAD pool expansion”为题发表于International Journal of Hydrogen Energy杂志。中国科学院沈阳应用生态研究所李伟明研究员为第一作者兼通讯作者，卞梦阳、金灿、贾永锋为共同作者，曾祥峰为共同通讯。该研究得到了国家自然科学基金(42477248，52200041，42377251)、中国科学院百人计划、辽宁省优青项目(2024JH3/10200025)等项目的资助。

图1 烟酸(NA)与零价铁对褐藻发酵的影响：(a)甘露醇消耗，(b)累计产氢量，(c)乙醇产量，以及(d)产物选择性。

图2 烟酸对烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)合成及氧化还原调节的影响。(a) E. harbinense中的NAD合成途径。(b) 通过qPCR测定烟酸磷酸核糖基转移酶(NAPRT)和烟酰胺单核苷酸腺苷酸转移酶(NMNAT)的相对基因表达量。NaMN：烟酸单核苷酸;NMNAT：烟酸单核苷酸腺苷酸转移酶;NaAD：烟酸腺嘌呤二核苷酸;NADS：NAD合成酶。(c) 48小时时的总NAD浓度。(d) 48小时时的NADH与NAD⁺的比值。(e) 8天发酵过程中的氧化还原电位曲线