餐厨垃圾发酵调控挥发性脂肪酸生产及丙酸选择性的关键因素研究

本研究针对餐厨垃圾发酵过程中挥发性脂肪酸(VFA)谱调控难题，尤其是丙酸富集的挑战，系统考察了初始pH、温度和底物浓度对VFA产量及微生物群落的影响。通过批次发酵实验发现，初始pH 9、35°C和7.8 g VS/L条件下丙酸选择性显著提升(31.9±5.4%)，并揭示了Enterobacteriaceae、Lachnospiraceae和Exiguobacterium spp.与丙酸生产的关联性。该研究为优化餐厨垃圾资源化提供了重要理论依据。

　　

在全球每年产生约13亿吨餐厨垃圾的背景下，如何实现这类高有机负荷废弃物的高值化利用成为环境与能源领域的重大挑战。传统处理方式如填埋和焚烧不仅造成资源浪费，还会产生温室气体和二次污染。虽然厌氧消化(AD)和暗发酵(DF)技术可将有机质转化为沼气或氢气，但产物价值受限——氢气存在Thauer极限(2-3 mol H₂/mol葡萄糖)，而混合挥发性脂肪酸(VFA)的市场应用又受限于其成分复杂性。特别是丙酸作为高附加值产物(可用于生物塑料、制药等领域)，其选择性生产始终是技术难点，这主要源于餐厨垃圾成分的异质性和微生物群落的不可控性。

针对这一瓶颈，法国研究团队在《Environmental Technology》发表的研究中，通过多参数调控揭示了餐厨垃圾发酵定向产丙酸的优化条件。研究人员采用批次发酵系统，结合气相色谱(GC)和高效液相色谱(HPLC)分析代谢产物，并运用16S rDNA测序解析微生物群落结构。实验设计涵盖4个初始pH梯度(7-10)、4个温度梯度(24-45°C)和4个底物浓度梯度(7.8-100 g VS/L)，以欧洲典型餐厨垃圾(含62%碳水化合物、22%蛋白质、16%脂类)为底物，采用城市污水处理厂的活性污泥作为接种源。

3.1 初始pH对代谢产物的影响
研究发现碱性条件(pH 9)使丙酸产量达到1.71±0.13 g/L，占总代谢物的31.9±5.4%(COD当量)，显著高于其他pH条件(p<0.05)。pH 10虽促进底物溶解(总VFA达6.43±0.68 g/L)，但丙酸占比骤降至5%。微生物分析显示pH 9条件下Bacillales目(含Exiguobacterium)相对丰度提升至22%，而Enterobacteriaceae在pH 7占27%但在pH 10消失，表明碱性环境特异性富集了丙酸生成菌群。

3.2 温度对代谢产物的影响
35°C时丙酸选择性达13.1±2.9%，是45°C条件下的4倍。高温(45°C)使Clostridiaceae 1占比升至86.8%，但代谢流向乙酸和丁酸偏移。温度通过改变NADH/NAD⁺平衡调控代谢流，证实了中温发酵对丙酸路径的优选作用。

3.3 底物浓度的影响
低浓度(7.8 g VS/L)实现最高丙酸产率(0.22 g/g VS)，而100 g VS/L时pH降至4.83，导致乳酸菌(Lactobacillaceae)占主导(15%)。冗余分析(RDA)显示丙酸/戊酸生产与Lachnospiraceae(相对丰度15.2%)显著相关，该菌能通过Wood-Werkman途径将琥珀酸转化为丙酸。

3.4 微生物群落分析
通过冗余分析发现三个关键功能菌群：(1)Clostridiaceae 1与乙酸/丁酸生产相关；(2)Lactobacillaceae与乳酸发酵耦合；(3)Enterobacteriaceae-Exiguobacterium-Lachnospiraceae三联体与丙酸/戊酸生成显著相关(p<0.01)。特别值得注意的是Exiguobacterium的糖苷水解酶可能为丙酸合成提供前体，而Lachnospiraceae则直接参与奇数碳VFA合成。

该研究首次建立了餐厨垃圾碱性发酵-中温调控-低有机负荷的三元优化模型，将丙酸选择性提升至传统方法的2-3倍。发现的Exiguobacterium-Lachnospiraceae功能模块为合成菌群构建提供了新靶点，而pH 9条件下微生物群落的特异性响应机制，则为工业级VFA定向生产提供了调控依据。未来可结合微生物电解槽(MEC)技术进一步纯化丙酸，推动餐厨垃圾从"处理对象"向"生物精炼原料"的转变。