通过调节有机负荷率来增强厌氧共发酵过程中的乳酸生成：对代谢和细菌反应的洞察

《Environmental and Sustainability Indicators》：Enhancing lactic acid production by organic loading rate regulation during anaerobic co-fermentation: Insights into metabolic and bacterial responses

半连续厌氧共发酵中有机负荷率调控对猪粪与苹果废料产乳酸的影响研究。通过梯度提升OLR至7 g VS/L/d，显著提高LA产量至35.70±1.08 g/L，水解率72.60%和酸化率83.22%，微生物群落中水解菌（Clostridium_sensu_stricto_1、Terrisporobacter）及产酸菌（Lactobacillus）丰度增加，KEGG代谢分析显示碳水化合物代谢与膜运输功能增强。最佳OLR为7 g VS/L/d，超过此值会导致系统不稳定。

　　在农业废弃物的高效转化与资源化利用领域，研究人员一直在探索新的技术路径，以提高生物转化效率并减少环境污染。本研究聚焦于一种重要的生物转化方式——厌氧共发酵（Anaerobic Co-Fermentation, AcoF），通过调控有机负荷率（Organic Loading Rate, OLR），实现猪粪（Swine Manure, SM）和苹果废弃物（Apple Waste, AW）向乳酸（Lactic Acid, LA）的高效转化。这一过程不仅能够有效利用农业废弃物，还为可再生资源的可持续利用提供了新的思路。研究结果表明，在特定的OLR条件下，LA的产量和质量得到了显著提升，同时揭示了微生物群落结构和代谢功能的变化规律。

### 1. 研究背景与意义

在中国，每年产生的猪粪和苹果废弃物分别超过8亿吨和400万吨，这些废弃物的直接排放不仅会引发严重的环境污染问题，如地表水和土壤污染，还会释放臭气、氨气和温室气体，导致温室效应和水体富营养化等生态问题。猪粪富含氮元素，而苹果废弃物则含有大量的可溶性糖类和易发酵的碳源，这为乳酸的生产提供了理想的营养条件。因此，利用这两种废弃物进行厌氧共发酵，不仅有助于解决环境问题，还能实现资源的高效利用。

然而，目前关于利用猪粪和苹果废弃物进行乳酸生产的研究多集中于批次模式，而对半连续模式下长期乳酸生产的研究尚显不足。半连续模式相比批次模式更适合工业化应用，因为它能够更有效地维持系统稳定性并减少操作复杂性。因此，本研究旨在探讨不同OLR对乳酸生产的影响，并进一步揭示其中的微生物相互作用机制。

### 2. 实验设计与方法

实验采用厌氧连续搅拌反应器（CSTR），其总容量为6升，工作体积为5升。反应器配备了温度控制器、pH控制器和自动搅拌装置，以确保稳定的发酵条件。SM和AW按照40:60的VS比例混合，并通过酶解预处理来提高其可利用性。酶解过程中，添加了纤维素酶和蛋白酶，其比例为1:3，总酶负载量为50 U/g VS。预处理后，将SM和AW与6%（v/v）的乳酸菌（Lactic Acid Bacteria, LAB）溶液混合，并通过稀释至5.0升，形成最终的发酵浓度。

实验分为五个阶段，分别对应不同的OLR（5、6、7、8 g VS/L/d），每个阶段持续20天，相当于两个水力停留时间（Hydraulic Retention Time, HRT）。在每个阶段结束时，系统达到伪稳态，即LA浓度在连续五天内波动不超过±5%。在此基础上，研究人员进一步分析了发酵过程中有机物的降解、乳酸产量、以及微生物群落结构的变化。

### 3. 实验结果与分析

实验结果表明，在OLR为7 g VS/L/d时，LA的浓度和产量均达到最高，分别为35.70 ± 1.08 g/L和0.51 ± 0.02 g/g VS。相比之下，OLR为5 g VS/L/d时，LA的平均浓度和产量分别为18.59 ± 1.83 g/L和0.37 ± 0.04 g/g VS，说明提高OLR有助于乳酸的积累。然而，当OLR进一步增加至8 g VS/L/d时，LA的浓度和产量有所下降，分别为28.76 ± 0.66 g/L和0.36 ± 0.01 g/g VS，这可能与高OLR带来的系统不稳定有关。

在发酵过程中，除了LA，还产生了其他挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs），如乙酸、丙酸和丁酸。这些酸类物质的浓度和比例在不同OLR下表现出显著变化。例如，在OLR为7 g VS/L/d时，VFA的浓度为4.42 ± 0.85 g/L，占SCOD的9.5%。随着OLR的增加，VFA的占比也有所变化，但LA仍然是主要产物，占比超过80%。

实验还发现，有机物的降解过程在不同OLR下表现各异。在OLR为7 g VS/L/d时，有机物的水解率（Hydrolysis Rate, HR）和酸化率（Acidification Rate, AR）分别达到72.60 ± 5.62%和83.22 ± 2.92%，这表明高OLR有助于提高有机物的降解效率。然而，当OLR进一步增加到8 g VS/L/d时，酸化率下降至61.88 ± 3.67%，说明过高的OLR可能对系统造成不利影响。

此外，研究人员通过16S rRNA测序和宏基因组分析，揭示了不同OLR对微生物群落结构和功能的影响。结果显示，厚壁菌门（Firmicutes）在所有实验条件下均占主导地位，其相对丰度在OLR为7 g VS/L/d时达到最高，为98.2 ± 1.7%。这表明厚壁菌门在乳酸生产过程中起到了关键作用。其中，乳酸菌属（Lactobacillus）、Clostridium sensu stricto 1、Terrisporobacter等菌属的丰度随着OLR的增加而变化，这进一步支持了乳酸生产与特定微生物群落之间的关系。

### 4. 微生物群落与代谢功能分析

微生物群落的分析显示，不同OLR对菌群的组成和功能有显著影响。例如，Clostridium sensu stricto 1和Terrisporobacter等菌属在高OLR条件下更加丰富，这可能与其对复杂有机物的降解能力有关。这些菌属能够有效分解有机物，为乳酸菌提供足够的前体物质，从而促进乳酸的生成。

宏基因组分析进一步揭示了乳酸生产过程中关键代谢功能的变化。在OLR为7 g VS/L/d时，与碳水化合物代谢和膜转运相关的基因相对丰度显著增加。这表明，提高OLR不仅能够促进有机物的降解，还能增强微生物对营养物质的吸收和代谢能力，从而提高乳酸的产量。此外，研究还发现，随着OLR的增加，碳水化合物代谢和膜转运功能的增强有助于提高乳酸的积累效率。

### 5. 实验结论与应用前景

综上所述，本研究发现，在OLR为7 g VS/L/d时，猪粪和苹果废弃物的厌氧共发酵能够实现乳酸的最大产量和质量。高OLR不仅促进了有机物的降解，还增强了微生物群落的多样性，为乳酸的生产提供了更丰富的前体物质和代谢途径。然而，当OLR超过一定阈值时，系统稳定性下降，可能导致乳酸产量的减少。

这一研究为农业废弃物的高效利用提供了新的思路，同时也为工业化乳酸生产提供了技术基础。通过合理调控OLR，可以实现乳酸的高效生产，同时减少对环境的影响。未来，进一步研究不同OLR对微生物群落和代谢功能的长期影响，以及如何优化反应条件以提高生产效率，将是该领域的研究重点。此外，探索其他生物转化技术，如酶解预处理、微生物共培养等，也可能为乳酸生产提供新的解决方案。