《Journal of Environmental Sciences》：Electron donor-dependent quorum sensing and interspecies electron transfer drive carbon partitioning pattern and medium-chain carboxylic acids production
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•电子供体驱动的微生物关联关系影响中链羧酸的产量。•DSF、AHL 和 AI-2 群体感应网络协调微生物协同作用。•乙醇富集了 c-细胞色素和外膜菌毛通路，用于种间电子传递。•协作网络有利于向微生物链延长提供能量。•非协作性相互作用限制了链延长潜力和中链羧酸的合成。引言全球有
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电子供体驱动的微生物关联关系影响中链羧酸的产量。
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DSF、AHL 和 AI-2 群体感应网络协调微生物协同作用。
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乙醇富集了 c-细胞色素和外膜菌毛通路，用于种间电子传递。
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协作网络有利于向微生物链延长提供能量。
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非协作性相互作用限制了链延长潜力和中链羧酸的合成。
引言
全球有机废物产生量的持续增长推动了可持续资源回收生物技术的快速发展。微生物链延长是一种具有前景的厌氧生物过程，可将短链羧酸转化为更具经济价值的中链羧酸，后者可作为抗菌剂、生物燃料前体和工业化学品，具有更广泛的工业应用（Angenent 等，2016）。中链羧酸较高的疏水性和较低的水溶性有利于其与发酵液的分离，从而增强经济性（Steinbusch 等，2011）。因此，链延长成为将废物管理转变为高价值资源生产的关键策略。
富集链延长菌一直是运营目标，但中链羧酸的产量不仅取决于单个链延长菌的代谢能力，还取决于群落中共存的微生物以及菌间相互作用（Han 等，2018）。微生物群落结构和种间相互作用的发展可能受到接种物来源、电子供体类型以及其他生物反应器运行条件的影响（Jeon 等，2016）。Perrotta 等（2017）证明，接种来自不同生态环境的种泥的厌氧生物反应器会形成不同的群落结构和产品谱。乙醇和乳酸是两种应用最广泛的电子供体，它们通过不同的生化途径驱动链延长过程。乙醇被氧化为乙酰辅酶A（Li 等，2008），而乳酸被转化为丙酮酸并脱羧为乙酰辅酶A（Contreras-Dávila 等，2020）。乳酸还可能通过竞争的丙烯途径转化为丙酸（Kucek 等，2016）。这些固有的代谢特性对群落组成施加了选择压力（Wang 等，2025a），并诱导开放培养系统中复杂的种间相互作用（Contreras-Dávila 等，2020）。先前的研究报告了乙醇驱动和乳酸驱动链延长系统中不同的己酸产量（Jeon 等，2016; Kucek 等，2016）。Wu 等（2018）证明，乙醇和乳酸作为共同电子供体可以建立协同关系，促进酒厂废水向中链羧酸的转化。最近的研究揭示，乙醇与乳酸的比例可以引导共培养菌群走向不同的目标产物（C6 或 C8）（Wang 等，2025a）。
不同的种间关系会导致不同的碳分配模式，例如对底物和代谢物的交叉供养与竞争（Angenent 等，2016）。共代谢交叉供养，即一种微生物的代谢产物作为另一种微生物的底物或辅因子，在复杂群落中维持热力学可行性（Schink，1997）。例如，自异醇梭菌为克鲁维梭菌提供乙醇和乙酸以进行链延长（Diender 等，2016）。产氢乙醇氧化菌可以与耗氢菌配对以避免热力学抑制（Shrestha 等，2023）。胞间交叉供养特别发生在生物膜中，并由胞外聚合物分泌促进。相反，底物竞争可能将碳流引离目标产物（Angenent 等，2016）。例如，Liu 等（2020）证明，丁酸发酵菌与链延长菌之间的竞争在反应器长期运行期间驱动群落演替并大幅降低了己酸生产力。Qiang 等（2026）报道，通过抑制微生物电合成辅助链延长系统中的同型产乙酸这一竞争性碳汇，碳流被引导向链延长，并使中链羧酸产量翻倍。除了基于代谢物的相互作用外，基于群体感应信号分子的通信系统可以调节链延长生物反应器中微生物之间的关系和行为（Li 等，2021）。种间电子传递在微生物相互作用中也起着关键作用（Rotaru 等，2014）。然而，先前的研究主要集中于中链羧酸生产性能的比较和链延长菌的富集，而链延长生物反应器中微生物群落结构、相互作用与碳流分配之间的基本关联仍未得到充分阐明。特别是，尚不清楚不同的电子供体如何诱导链延长群落的微生物通信、电子传递和碳流路由能力，以及这些能力对产品谱的影响。关于典型的链延长电子供体，先前的乙醇和乳酸驱动链延长研究主要集中于中链羧酸产量和链延长菌的富集（Fu 等，2023; Kang 等，2022），并通常将最终的链延长性能归因于优势链延长菌的代谢特性。除了链延长菌本身之外，这些电子供体是否有助于群落内不同的微生物相互作用模式，以及这些不同模式是否导致不同的碳分配，仍有待阐明。
为解决这一研究空白，本研究分别使用乙醇和乳酸作为电子供体，并采用多接种物策略，使用三种来自不同生态来源的接种物（蒸馏厂窖泥、废弃活性污泥和河流沉积物），在三个连续周期中建立了六个实验组。已有报道指出蒸馏厂窖泥、废弃活性污泥和河流沉积物含有多样的厌氧发酵菌群，且前两者已被测试作为有效的链延长接种物，而后者作为链延长接种物的测试则较为有限（Fu 等，2023; Gao 等，2021）。在相同的电子供体条件下利用这三个不同的起始群落有助于进一步阐明电子供体与起始群落对微生物群落发展和微生物相互作用的影响。通过整合链延长产品谱分析、微生物群落分析、宏基因组测序、群体感应信号分子和胞外聚合物表征，本研究旨在：(1) 表征不同电子供体和接种物群落类型下的链延长菌和微生物相互作用模式；(2) 探索基于群体感应、细胞运动性和电子传递的相互作用机制；以及 (3) 研究微生物相互作用模式如何影响中链羧酸生产过程中碳流分配和链延长代谢途径。
分节片段
接种物来源与制备
从不同的生态环境中采集了三种接种物：窖泥取自蒸馏厂的发酵窖；河流沉积物采自重庆长江岸边；废弃活性污泥取自重庆的一座市政污水处理厂。所有污泥样品均经无菌不锈钢筛网（2 mm）筛分，离心（5000 r/min，4 °C，10 min），浓缩后的沉淀物被重新悬浮
链延长性能
图1a–f展示了三个运行周期内底物和产物的浓度变化曲线，图1g和h展示了最终的有机碳物质分布模式。过程性能，包括质量基础的产物浓度和达到己酸平台所需的时间，也在表S2中进行了汇总和展示。在三个乙醇驱动的组别中（图1a–c），乙醇在每个周期内于4–6天内被消耗，而乙酸的消耗与乙醇并行
结论
本研究揭示了由不同电子供体驱动的链延长过程中微生物相互作用策略的差异，及其对碳流方向和中链羧酸产量的影响。乙醇驱动的链延长系统通过包括DSF、AI-1和AI-2/Lsr的多种群体感应介导的微生物通信途径、细菌运动性和趋化性建立了多物种协同网络。导电菌毛和c型细胞色素介导的电子传递基础设施，以及相对有利的能量
作者贡献声明
刘杰：撰写——初稿，可视化。刘玉清：撰写——初稿，方法学。郭婷：可视化。阎鹏：资源提供。陈友鹏：资源提供。高梦娇：撰写——审阅与编辑，项目管理，资金获取，概念设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究由国家自然科学基金（编号52400152）、重庆创新创业支持计划（编号cx2024032）和重庆人才计划（编号CSTB2024YCJH-KYXM0077）资助。
刘杰|刘玉清|郭婷|阎鹏|陈友鹏|高梦娇
