综述：关于通过微生物脂质合成来利用黑暗发酵废液的最新进展

《Journal of Environmental Management》：An update on valorising dark fermentation effluent through microbial lipid synthesis

可持续生物经济需要将生物质高效转化为高价值产品，暗发酵废液（DFE）作为新兴碳源，因其富含短链羧酸（SCCAs）的特性，在微生物油脂生产中展现出潜力。研究显示，油性酵母（如Yarrowia lipolytica）和海洋原生生物（如Schizochytrium limacinum）能以DFE为底物高效合成多不饱和脂肪酸（PUFAs），尤其是DHA。两阶段操作（生物量积累与油脂合成阶段）结合pH/溶氧调控可优化产物得率，但需解决DFE碳浓度低（5-30 gL?1）、pH酸性（4.5-6.0）、含抑制性物质（如酚类、 furfural）及微生物污染等挑战，膜分离技术（如超滤、陶瓷膜）和细胞固定化系统可提升过程稳定性。工业应用需平衡经济性与可持续性，未来需开发低能耗分离工艺和实时监测工具。

　　在当今全球对可持续发展的高度关注下，生物经济的转型成为实现资源高效利用和减少环境负担的重要途径。生物量的高效转化是这一过程的关键环节，而“暗发酵”产生的发酵液作为一种具有潜力的原料，为微生物油脂生产提供了新的思路。暗发酵是一种通过微生物作用将有机材料分解为更简单的化合物的过程，主要生成氢气和短链羧酸（SCCAs）。这种发酵液富含短链羧酸，能够为微生物的生长提供重要的碳源，并且能够支持循环生物精炼策略，特别是在利用本地可获得的生物废弃物时。本文旨在评估利用暗发酵液作为微生物油脂生产的潜力，并探讨如何克服其固有的局限性，以实现高效的工艺集成。

微生物油脂是一种高价值的生物产品，其应用范围广泛，不仅可用于生物燃料的生产，如生物柴油，还被广泛应用于饲料添加剂、保健品、医药和化妆品等领域。油脂的合成通常依赖于微生物的代谢过程，而不同微生物群体在这一过程中展现出不同的特性。例如，脂质积累型酵母、海洋原生生物以及微藻是当前研究中最常使用的微生物类型。其中，酵母和原生生物在生长速率、油脂产量以及对暗发酵液复杂成分的适应性方面表现更为优越，而微藻则在某些特定条件下也有其独特的应用价值。

暗发酵液作为微生物油脂生产的原料，其优势在于其可再生性和成本效益。然而，这种原料也面临一些挑战，包括其碳浓度较低、pH值偏酸性、可能存在的抑制性成分以及如何实现与油脂生产过程的高效集成。目前，暗发酵液中的短链羧酸浓度通常在5至30克每升之间，远低于纯糖类或其他传统碳源的浓度，如葡萄糖（约500克每升）、甘油、糖蜜或纯乙酸。此外，由于暗发酵通常是在非无菌条件下进行的，其发酵液中可能含有多种微生物，这使得后续的无菌油脂生产面临污染风险。

为了提高暗发酵液的利用效率，研究者提出了多种策略。其中，两阶段操作模式被广泛采用，通过分别优化生物质生产和油脂积累，提高整体产量。此外，采用溶解氧或pH-辅助控制模式，可以有效调节发酵液的输入速率，以适应微生物的代谢需求。然而，这些策略在实际应用中仍需克服一些关键问题，如固液分离、无菌处理以及不同生物技术过程之间的整合。

暗发酵液的pH值通常在4.5至6.0之间，具体取决于原料和操作条件。然而，当pH值低于某些短链羧酸的pKa时，未解离的酸分子会被动扩散进入细胞，导致细胞内酸化，影响细胞的pH平衡，进而增加能量消耗并抑制代谢活动。此外，发酵液中可能含有其他抑制性成分，如乙醇、酚类化合物、呋喃衍生物、自由氨、硫化物、盐类和长链脂肪酸等。这些成分可能对微生物的生长和油脂生产造成不利影响，因此需要在工艺设计中加以考虑。

在实际应用中，暗发酵液的处理需要综合考虑其成分复杂性和潜在的抑制效应。通过使用膜技术，如超滤膜或陶瓷过滤器，可以实现有效的固液分离和污染物去除。这种方法不仅提高了发酵液的纯度，还降低了后续处理的成本。此外，通过调整发酵条件，如优化pH值和碳氮比，可以进一步提高微生物的油脂产量。同时，研究还表明，通过使用特定的微生物菌株，如某些耐酸酵母或海洋原生生物，可以在较低pH值下实现高效的油脂生产。

暗发酵液的利用不仅限于油脂生产，其产生的短链羧酸还可用于其他高附加值产品的合成。例如，一些研究已经证明，短链羧酸可以通过不同的代谢途径转化为长链脂肪酸，这些脂肪酸在营养补充剂和生物燃料中具有重要价值。此外，通过优化微生物的生长条件和代谢途径，可以进一步提高这些产物的产量和纯度。

在实际操作中，暗发酵液的处理和利用需要克服多个技术障碍。首先，由于其碳浓度较低，需要较大的反应体积或更高的浓度才能达到与传统碳源相当的油脂产量。其次，发酵液中的多种成分可能对微生物的生长和代谢产生抑制作用，因此需要选择具有较高耐受性的微生物菌株或进行适当的预处理。此外，由于发酵液来源于复杂的生物废弃物，其成分可能具有高度的不稳定性，这要求在工艺设计中具备一定的灵活性和适应性。

为了推动暗发酵液在微生物油脂生产中的应用，需要进一步研究其在不同生物技术过程中的表现。例如，通过比较不同微生物群体在暗发酵液中的油脂产量和代谢效率，可以筛选出最适合的菌株。此外，开发高效的固液分离技术和无菌处理方法，也是实现工业化应用的关键。同时，研究者还提出了多种创新性的解决方案，如采用膜技术进行在线分离、优化发酵液的浓度和pH值，以及开发新的代谢调控策略。

总的来说，暗发酵液作为微生物油脂生产的原料，具有广阔的前景。然而，要实现其在实际生产中的广泛应用，仍需解决一系列技术挑战。通过持续的研究和技术创新，可以进一步提高其利用效率，降低生产成本，并推动其在可持续生物经济中的应用。未来的研究方向可能包括开发更高效的分离和纯化技术、优化微生物的代谢途径、探索新的生物技术组合，以及实现工艺的智能化和自动化。这些努力将有助于将暗发酵液转化为高价值的生物产品，从而推动生物经济的可持续发展。