经过短暂的有氧预处理后，通过真菌-细菌协同作用链延长技术，可以稳定地从食物废弃物中长期生产己酸

《Bioresource Technology》：Brief aerobic pretreatment for stabilizing long-term caproate production from food waste via fungi–bacteria chain-elongating consortia

　　

陈跃奇|李媛|程双兰|马永红|张玉荣|张文娟|徐先保|刘志红|段旭|段浩文|周爱娟|李翔|雅切克·马基尼亚

上海工程技术大学，化学与化学工程学院，中国上海201620

摘要

从食物废弃物中回收中链羧酸（MCCA）受到效率低下和不稳定性的限制。本研究验证了一种短期好氧预处理（AP）策略，以增强真菌-细菌的协同作用。在批次试验中，AP（0.2 vvm）使己酸的产量达到了22.32±1.56克COD/L的最佳水平。该预处理过程富集了产生乙醇的酵母和产生乳酸的细菌，从而建立了强大的共电子供体池。宏基因组分析表明，这种协同作用抑制了竞争性的三羧酸循环，将碳流重定向到反向β-氧化（RBO）途径，并为Clostridium_sensu_stricto_12提供了必需的前体。在134天的半连续运行中，AP保持了高产量的己酸（17.2–22.1克COD/L），这主要归功于由Ruminococcaceae细菌BL-6主导的特定菌群，避免了对照组中观察到的系统性能下降。生命周期评估（LCA）证实与传统方法相比，碳排放减少了60%以上。短期好氧预处理有效地调节了微生物群落演替，从而稳定了从食物废弃物中生产低碳MCCA的过程。

引言

将有机废弃物生物转化为有价值的中链羧酸（MCCA，C₆-C₈）通过提供比短链脂肪酸（SCCA）更容易回收的平台化学品来支持循环经济（de Leeuw等人，2019年；Shrestha等人，2023年）。然而，微生物链延长（CE）需要持续供应还原型电子供体（EDs），而外部ED补充的高成本显著限制了工业规模化（Contreras-Dávila等人，2020年；Roghair等人，2018年）。因此，从废弃物中内源性生成EDs对于可持续的MCCA生产至关重要。

协同工作的真菌-细菌共生体为内源性EDs提供了一种有前景的途径，其中酵母产生乙醇，乳酸菌（LAB）产生乳酸（LA），从而为链延长菌提供能量（Chen等人，2017年）。除了提供前体外，这些跨界共生体内的生态分工还带来了独特的代谢优势。兼性酵母和LAB以及其他兼性厌氧菌共同消耗氧气，保护严格厌氧的链延长菌免受氧气毒性的影响。此外，乙醇和LA的协同供应为CE提供了更热力学上稳定的驱动力，而后续真菌生物量的分解可能释放出促进链延长菌生长的必需营养物质（Cheng等人，2025年；Li等人，2024a；Wang等人，2025年）。然而，这些跨界微生物的长期稳定性和性能通常会随时间下降（Li等人，2024a）。长期的厌氧环境通常会导致酵母活力丧失，而LAB可能会过度增殖，导致乳酸积累过多并抑制底物利用，进而阻碍CE进程，使碳流转向丁酸（Li等人，2024a）。因此，如何有效调节和平衡酵母和LAB的活动，同时确保其代谢产物的高效下游利用，是维持CE系统长期稳定性和性能的关键挑战。

酵母是兼性厌氧菌，在好氧条件下能够繁殖，但在厌氧条件下能高效产生乙醇（Thanapornsin等人，2024年）。同样，许多强效的LAB是在微需氧环境中繁衍的兼性厌氧菌。相比之下，特殊的链延长菌通常是严格厌氧菌（Liu等人，2023年）。因此，成功的策略必须诱导这些菌群依次发挥其最佳功能。好氧预处理（AP）是一个可行的解决方案。短期微曝气理论上可以激活酵母种群，防止其长期被清除，同时为乙醇生产创造竞争优势，维持两种ED的平衡供应（Dussán等人，2016年；Kirschner，2023年）。然而，尚不清楚在AP之后的发酵后期，链延长菌是否能够真正得到富集并成为功能上的主导者。

尽管批量实验证明了短期可行性，但这些共生体的长期稳定性仍大部分未被探索。先前的研究表明，直接连续供应会导致酵母被霉菌取代，从而阻碍CE进程并将碳流转向丁酸（Li等人，2024a）。这突显了新鲜接种物与成熟微生物组之间反复互动的独特挑战，这与批次发酵不同。因此，这类进化系统中内源性ED生产和微生物群落演替的调控原理仍不清楚。迄今为止，没有研究提出一种简单的策略，能够主动调节跨界微生物组的时间生态位，以实现内源性ED的生成并维持长期的CE稳定性。

本研究探讨了短期AP策略在增强真菌-细菌共生体中己酸（一种代表性的C₆-MCCA）生产方面的有效性。通过一系列批次实验，确定了最佳预处理强度，并进一步分析了EDs的产生、酸化、CE及相关代谢参数。随后进行了长期和半连续实验，以验证优化策略的有效性和稳定性。通过整合16S核糖体RNA（rRNA）、内部转录间隔区（ITS）和宏基因组测序技术，研究了真菌和细菌的微生物群落以及与CE相关的功能基因。本研究提出了一个可持续MCCA生产的操作策略，并阐明了调控跨界微生物组的生态原理。

章节摘录

2.1. 基质准备和接种物

实验所用新鲜食物废弃物（米饭、豆腐、蔬菜和肉类）来自上海工程技术大学。文献表明，这类食堂废弃物通常富含碳水化合物和蛋白质，为发酵提供了营养丰富的基质（Liu等人，2025年）。初始总固体（TS）和挥发性固体（VS）分别为108.15±2.75克/L和103.41±3.12克/L。混合基质还通过其初始生物可利用有机物和营养成分进行了进一步表征。

好氧预处理提高了批次试验中的己酸产量

在没有AP的对照组中，己酸浓度很低，第14天的最大浓度仅为1.77±0.18克COD/L（图1A）。考虑到关键EDs（乙醇和LA）的存在，己酸产量低可能是由于链延长菌的富集不足。在AP-1中，第8天的己酸最大产量达到了22.32±1.56克COD/L；在AP-2中为22.21±1.05克COD/L；而在AP-3中，第12天略微下降至18.76±1.17克COD/L（图1B–D）。

结论

短期好氧预处理（AP）对于利用真菌-细菌共生体从食物废弃物中生产己酸非常有效。通过协调良好的时间演替，批次实验产生了22.3克COD/L的己酸，其中兼性厌氧菌的初始富集为后续严格厌氧菌的增殖创造了有利的生态位。宏基因组学证实，这种微生物重构成功地将碳流重定向到了链延长途径。关键的是，

CRediT作者贡献声明

陈跃奇：撰写——原始草稿，数据可视化，实验研究。李媛：实验研究，数据整理。程双兰：实验研究，数据整理。马永红：实验研究，数据整理。张玉荣：数据整理，实验研究。张文娟：监督，项目管理，资金筹措。徐先保：撰写——审稿与编辑，方法学设计，概念构思。刘志红：方法学设计，数据分析。段旭：资源调配，资金筹措。段浩文：资源支持，

利益冲突声明

作者声明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

本研究得到了上海科学技术委员会（23YF1417800）、国家自然科学基金（52570149和52200170）以及波兰国家科学中心（Narodowe Centrum Nauki）（项目编号：UMO-2021/40/Q/ST8/00124）的财政支持。