通过调节pH值直接引导鸡粪中乙酸和乳酸的无氧共生产

《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Directing Anaerobic Co-production of Acetate and Lactate from Chicken Manure via pH Regulation

　　

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  实现了从鸡粪中同时生产乳酸和VFA。
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  确定尿酸是氨氮的主要来源。
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  在较低的pH值下，SCOD/TAN比率增加。
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  通过长期实验揭示了碳和氮的流动情况。

引言

全球每年产生的鸡粪量超过2.6亿吨，其中中国占1.46亿吨[1],[2]。鸡粪富含有机物质，可以通过酸发酵结合链延长反应转化为中链脂肪酸（MCFAs，通常为C6–C8）[3],[4]。在此过程中，有机物质首先通过酸发酵转化为短链脂肪酸（主要是乙酸）和乳酸，然后通过反向β-氧化作用进一步转化为MCFAs[5]。作为高价值平台化学品，MCFAs在生物燃料和其他高附加值产品中具有广泛的应用前景[6]。

乳酸作为中链脂肪酸合成的电子供体受到越来越多的关注。它可以通过酸发酵在原位从复杂有机废物中产生，并直接用于后续的链延长反应，从而将废物转化与MCFA生产相结合，减少对外部电子供体的需求。相比之下，一些基于乙醇的链延长系统需要额外补充CO₂以满足微生物生长需求[7],[8],[9]。因此，基于乳酸的链延长方法为复杂有机废物的综合转化提供了一种有前景的方式。当乳酸作为电子供体时，乙酸通常在反向β-氧化途径中充当电子受体。根据简化的化学计量关系，己酸的生成可以表示为：2乳酸^– + 乙酸^– + 2H⁺ → n-己酸^– + 2 CO₂ + 2 H₂O[10]，对应的理论乳酸与乙酸的摩尔比为2:1。然而，先前的研究表明，LA/AA比为1.5:1–2:1时，链延长效率更高，产品选择性更好[11],[12],[13]。由于部分碳源用于微生物生物量的合成以及存在竞争性代谢途径，实际LA/AA比可能偏离理论值。因此，适当调节乳酸和乙酸的生成以维持合适的LA/AA比对于提高链延长效率至关重要。

pH是调节酸发酵过程中代谢途径、微生物群落和有机酸产物分布的关键因素。现有研究主要在pH 6.0–8.5的条件下研究短链脂肪酸的产生[14],[15],[16],[17]，最高的产率通常出现在pH 6.0左右。只有少数研究在酸性条件下（如pH 4.5）研究乳酸的积累[18],[19]。虽然酸性条件有利于乳酸的产生，但过低的pH可能会抑制底物水解和乙酸的生成，从而降低总有机酸产量。因此，在维持底物转化效率的同时通过pH调节实现合适的LA/AA比仍是一个挑战。

这一问题在鸡粪的酸发酵过程中尤为突出。鸡粪中含有大量的蛋白质、尿酸和其他含氮化合物中的氮。在厌氧发酵过程中，这些化合物的分解会释放氨氮，增加总氨氮（TAN）浓度。氨/铵平衡及其相关的碱度影响了系统的缓冲特性，抵消了有机酸积累引起的pH下降，使得系统pH通常高于7.5，难以维持酸性发酵条件[20]。此外，在中性至碱性条件下，发酵产物主要是乙酸和丁酸，而乳酸的积累相对较少，很难实现合适的LA/AA比[21]。因此，鸡粪酸发酵过程中的pH调节不仅与有机酸的产生相关，还可能与含氮化合物的分解、氨氮的释放以及系统的缓冲特性变化有关。

目前关于链延长前体酸发酵的研究主要集中在废水[22],[23]、酸乳清[24],[25]和食物废物[26]等底物上，而对鸡粪的研究相对较少。特别是在高氮鸡粪的发酵过程中，不同pH条件下含氮化合物的分解模式、氨氮的生成以及这些变化与乳酸和乙酸生成及其比率之间的关系仍不够明确。

因此，本研究调查了pH对鸡粪氮转化和酸发酵的影响，重点关注含氮化合物的分解、氨氮的生成以及氮转化与乳酸-乙酸分布之间的关系。

章节摘要

底物和接种物

实验中使用的鸡粪来自中国山东省的一家商业养鸡场。新鲜鸡粪被收集并储存在-4°C的冰箱中。原始鸡粪（26.3% TS）被稀释至15% TS作为反应器进料。鸡粪作为原料的其他规格如下表1所示。接种物来自北京的一家嗜温厌氧消化厂。接种物的TS和挥发性固体（VS）含量如下

pH动态和酸性条件的维持

图2展示了pH、CH₄和CO₂产量的变化及其在沼气中的相应含量。结果表明，pH调节显著影响了沼气的产生。在第一阶段，对照反应器的pH在的前4天内迅速下降，随后稳定在大约6.8。运行22天后，CO₂和CH₄的产量分别达到0.14–0.20 L/gVS和0.10 L/gVS的稳定状态。运行119天后

结论

本研究表明，pH调节影响了长期鸡粪发酵过程中的氮转化和酸生成产物的分布。低pH降低了蛋白质和尿酸的去除率，增加了固相中氮的保留量，并与较低的TAN浓度相关。这些变化伴随着微生物群落组成的变化。酸性条件促进了乳酸的积累，提高了LA/AA比，但同时也减少了水解

作者贡献声明

Tongxin Xue：撰写 – 原稿撰写，实验设计。Mustafa Evren Ersahin：撰写 – 审稿与编辑。Wei Qiao：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金申请，概念构思

未引用参考文献

[48],[49]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号32372015）和中国海南省国际科学技术合作研发计划（海南省科技专项基金，编号GYHF2024023）以及国家重点研发计划（编号2024YFC3909101）的支持。

Tongxin Xue|Mustafa Evren Ersahin|Wei Qiao