铁基材料强化混合培养体系高效转化乙醇和乙酸生产己酸机制研究

本研究针对混合培养体系己酸（caproate）产量低的瓶颈问题，通过三步驯化污泥混合菌群并转接至小麦秸秆载体系统，结合Fe/Fe3 O4 强化策略，将己酸产量提升至25.2 g/L，揭示了Clostridium_kluyveri_sensu_stricto_12的关键作用及铁基材料促进生物膜形成的机制，为生物法高效生产高附加值中链羧酸（MCCAs）提供了新思路。

　　

随着全球对可再生能源需求的增长，生物发酵法生产高附加值化学品成为研究热点。中链羧酸（Medium Chain Carboxylic Acids, MCCAs）因其能量密度高、应用领域广（如食品添加剂、抗菌剂）而备受关注。其中己酸（caproate）作为典型MCCA，传统化学合成法成本高且污染大，而纯菌发酵存在灭菌成本高、易染菌等问题。混合培养系统虽成本低但产量受限，且缺乏高效强化策略。针对这一难题，江苏大学的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表研究，通过创新性结合铁基材料与载体转换策略，实现了混合培养体系己酸产量的突破性提升。

研究采用三步技术路线：首先通过电子供体筛选（乙醇/甘油）和污泥驯化建立基础产量模型；其次将菌群从污泥系统转接至小麦秸秆载体系统；最后引入Fe/Fe₃
O₄
强化发酵。实验采用镇江京口区河道厌氧污泥为初始菌源，通过高通量测序解析微生物群落演变。

电子供体选择与菌群驯化
对比乙醇、甘油等电子供体发现，三步驯化后乙醇组己酸产量达10.6 g/L，显著高于甘油的4.3 g/L，证实乙醇为最优碳源。

载体系统转换与铁基强化
将菌群转移至小麦秸秆载体系统后，Fe/Fe₃
O₄
的添加使分批发酵产量跃升至25.2 g/L，创混合培养体系纪录。铁材料促进胞外聚合物（EPS）分泌和生物膜形成，增强菌群环境抗性。

微生物机制解析
高通量测序显示Clostridium_kluyveri_sensu_stricto_12是己酸合成主导菌种。Caldicoprobacter等菌属协同利用CO₂
/H₂
和半纤维素产乙酸，为反向β氧化（Reverse β-Oxidation, RBO）途径提供底物。

该研究开创性地将农业废弃物（小麦秸秆）与铁基材料结合，通过物理载体-化学强化-微生物调控三重作用，解决了混合培养体系产量低、稳定性差的核心问题。25.2 g/L的产量较既往最高纪录（21.4 g/L）提升17.8%，且避免了纯培养的灭菌成本。研究为生物法规模化生产MCCAs提供了可复用的技术范式，对推动绿色制造和废弃物资源化具有双重意义。