干旱地区CAM植物厌氧发酵产挥发性脂肪酸的动力学优势及其在生物精炼中的应用潜力

本研究针对传统生物能源作物与粮食生产争地的矛盾，创新性地评估了景天酸代谢(CAM)植物作为厌氧发酵(AF)原料生产挥发性脂肪酸(VFAs)的潜力。研究人员通过对比三种CAM植物(菠萝、仙人掌、龙舌兰)与三种传统作物(玉米、芒草、小麦)在两种接种物(厌氧消化污泥和瘤胃液)中的发酵动力学，发现CAM植物表现出更高的水解速率(0.41-0.48 g/gVS)和VFA产率，这与其较低的结构碳水化合物含量相关。该研究为利用边际土地发展可持续生物精炼提供了新思路，对实现"碳循环"经济模式具有重要意义。

　　

在全球能源转型和碳中和背景下，如何获取可持续的碳源成为制约绿色化工发展的关键瓶颈。传统生物能源作物如玉米、小麦等虽可用于生产生物燃料和化学品，但其大规模种植会挤占宝贵的耕地资源，加剧"粮食vs燃料"的争议。更棘手的是，随着气候变化导致干旱区扩大，传统作物的种植面临严峻挑战。此时，一类特殊植物——具有景天酸代谢(CAM)途径的植物如仙人掌、龙舌兰等展现出独特优势：它们能在贫瘠的边际土地上生长，仅需传统作物20%的水分，却能产生相当的生物量。但一个重要问题悬而未决：这些CAM植物能否高效转化为高附加值化学品？

牛津大学工程科学系和生物学系的研究人员联手开展了一项开创性研究，系统比较了CAM植物与传统作物在厌氧发酵产挥发性脂肪酸(VFAs)方面的性能差异。这项发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》的研究揭示，CAM植物不仅能在恶劣环境中茁壮成长，其生物质在转化为化工原料方面也展现出显著优势。

研究人员采用了两大关键技术方法：首先建立了包含三种CAM植物(菠萝、仙人掌、龙舌兰)和三种传统作物(玉米、芒草、小麦)的对比实验体系；其次运用两种典型接种物(工业级厌氧消化污泥和牛瘤胃液)进行批量发酵实验，通过添加溴乙烷磺酸盐(BES)抑制产甲烷过程以专注研究酸化阶段。通过气相色谱(GC-FID)定量分析VFA产量，结合16S rRNA基因测序解析微生物群落结构，并建立一级动力学模型评估发酵效率。

背景与材料特性
研究首先详细表征了各类生物质的组成差异。CAM植物因其高含水特性，总固体含量(TS%)显著低于传统作物——最年轻的仙人掌茎片仅7.7%，而小麦秸秆高达93%。但令人惊讶的是，CAM植物的可降解组分(VS/TS)与优质能源作物相当：龙舌兰全叶达90.87%，甚至其加工废料(果肉)仍有88.9%的可降解率。结构分析显示，CAM植物的木质素含量(菠萝15.08%除外)普遍低于C₃植物(小麦11.6%)，且纤维素含量显著偏低(菠萝仅10.13%)，这种"低结构"特征暗示着更好的生物可及性。

发酵动力学表现
实验数据清晰展现了CAM植物的发酵优势。当使用厌氧消化污泥时，CAM植物的VFA产率(0.41-0.48 g/g_VS)全面超越传统作物(0.21-0.38 g/g_VS)，其中龙舌兰果肉表现最佳。一级动力学模型显示，CAM植物的酸化速率常数(k)也更高，如年轻仙人掌茎片达0.51 d^-1，意味着更短的 hydraulic retention time(HRT)——这对降低工业反应器投资成本至关重要。研究还发现，这种动力学优势与生物质的可溶性化学需氧量(SCOD)呈正相关(R²=0.6077)，证实了"易水解"的假设。

微生物群落差异
通过16S rRNA测序解析了两种接种物的功能差异。厌氧消化污泥以梭菌属(Clostridium,19.3%)为主导，擅长分解简单有机物；而瘤胃液则以普雷沃菌(Prevotella,15.8%)为主，具有更强的纤维降解能力。有趣的是，虽然瘤胃系统理论上更适合处理高纤维原料，但实际表现却不及厌氧污泥——这可能与实验采用的短期批式发酵未能充分发挥其纤维降解潜力有关。

结构-活性关系
通过多元回归分析，研究推翻了一个传统认知：木质素含量并非决定降解效率的关键因素。相反，中性洗涤纤维(NDF，即纤维素、半纤维素和木质素总和)与VFA产率呈现更强的负相关性(R²=0.8074)。这解释了为何高木质素但低NDF的菠萝(木质素15.08%，NDF仅46.31%)仍表现优异，而NDF高达71.6%的芒草则产率最低。这一发现为后续原料筛选提供了新标准。

应用前景展望
研究估算，仅全球菠萝种植每年就可产生约4700万吨叶渣废料，按本研究的转化效率计算，可生产250万吨可再生VFA，价值约10亿美元。更重要的是，CAM植物与边际土地的完美适配性，使其成为干旱地区产业发展的理想选择。相比传统生物精炼路线，CAM系统可实现"三赢"：不争粮田、节约水资源、还能改良退化土地。

这项研究突破了生物精炼原料选择的传统思维，为干旱地区发展循环碳经济提供了科学依据。CAM植物展现的快速水解特性和高产率优势，可能重塑未来生物基化学品的生产格局。后续研究可进一步探索连续发酵工艺、微生物群落调控以及全生命周期经济环境效益评估，推动这一可持续模式走向产业化。在气候变化加剧的今天，这项成果为面临土地退化挑战的地区指明了一条兼顾生态与发展的新路径。