混合微生物培养下木糖阴极电发酵的投喂策略对丙酸和丁酸生产的调控作用

推荐：本研究针对木糖发酵中氧化还原失衡问题，通过混合微生物培养阴极电发酵(CEF)技术，比较重复批次与连续投喂策略对羧酸生产的调控效果。结果表明，重复批次系统在-0.40 V vs. SHE阴极电位下，丙酸和丁酸产量分别提高1.57倍和1.64倍，揭示了Clostridium属在电发酵中的关键作用，为生物炼制提供了新思路。

　　

木糖作为农林废弃物中含量第二丰富的糖类，在生物炼制领域具有重要价值。然而，传统木糖发酵常面临氧化还原失衡、能量产出低等问题，导致目标产物得率受限。近年来兴起的阴极电发酵(Cathodic Electro-Fermentation, CEF)技术通过电极调控微生物代谢，为解决这一难题提供了新思路。但现有研究多集中于葡萄糖底物，对木糖基混合培养CEF系统的认识仍存在空白，特别是不同投喂策略对产物谱的影响尚未阐明。

来自芬兰坦佩雷的研究团队在《Bioresource Technology》发表论文，首次系统比较了重复批次与连续投喂策略对木糖CEF过程的调控作用。研究采用H型生物电化学反应器，以市政污水污泥为接种物，在-0.40 V vs. SHE阴极电位下运行25天，通过电化学监测、代谢产物分析和微生物群落测序等手段，揭示了不同操作模式对丙酸和丁酸生产的差异化影响。

主要技术方法
研究采用三电极体系H型反应器，阴极材料为碳毡（17.9 cm²
），阳极使用铂丝，以Ag/AgCl KCl_sat
为参比电极。实验设置重复批次（HRT=7.5天）和连续（HRT=1.1天）两种模式，通过高效液相色谱(HPLC)和气相色谱(GC)分析代谢产物，利用16S rRNA基因测序（Illumina Nova平台）解析微生物群落，并采用循环伏安法(CV)表征电极反应特性。

3.1 重复批次系统的阴极辅助代谢
研究发现，在初始批次阶段（0-41小时），施加电位的反应器(AP)即表现出独特的代谢特征：丙酸（4.61±2.70 mmol-C）和丁酸（5.47±0.96 mmol-C）产量显著高于对照组，而两组乙酸产量相当。进入重复投喂阶段后，AP反应器维持了1.57倍的丙酸和1.64倍的丁酸增产优势，最高丙酸产率达4.4±0.4 mg/L/h。电化学分析显示该系统平均电流密度仅为-0.0047 μA/cm²
，表明阴极主要通过调控胞外氧化还原电位而非直接电子转移发挥作用。

3.2 连续系统的局限性
与重复批次系统不同，连续CEF尽管产生更高电流密度（-4.2 μA/cm²
），但未能实现稳定的阴极辅助代谢。仅在23.4-50.0小时观察到短暂的丙酸产量差异（AP:2.57±0.40 vs 对照:1.80±0.19 mmol-C）。研究者推测较短的HRT（1.1天）导致功能微生物洗脱，且-0.40 V的电位与系统开路电位（-0.20 V）差异不足，难以有效调控代谢。

3.3 微生物群落动态
16S rRNA分析揭示重复批次系统中Clostridium属的相对丰度与阴极辅助代谢密切相关：在产物差异最显著的早期阶段（113.5小时），AP反应器的Clostridium丰度达27±2%，显著高于对照组（4±2%）。而连续系统中该菌属几乎消失，取而代之的是Lactococcus（14±9%）和Escherichia-Shigella（12±9%）成为优势菌群。非度量多维标度(NMDS)分析证实两种操作模式显著改变了微生物群落结构（PERMANOVA，p=0.0001）。

研究意义与展望
该研究首次证实重复批次CEF可有效引导木糖发酵向丙酸/丁酸转化，而连续系统在当前参数下效果有限。这一发现为生物炼制提供了重要启示：
1）Clostridium可能是木糖CEF的关键功能菌属，其丰度与羧酸产量正相关；
2）适中的HRT（7.5天）比短HRT更利于维持功能菌群；
3）微弱的阴极电流（μA级）即可显著改变代谢流向。

未来研究可聚焦于：优化电极材料增强生物膜稳定性、引入氧化还原介质促进电子传递，以及通过宏转录组学揭示关键代谢通路。这些发现为开发基于农林废弃物的高值化生物炼制工艺奠定了理论基础，特别在定制化生产PHA（聚羟基脂肪酸酯）前体方面具有应用潜力。