《Journal of Environmental Chemical Engineering》：The choice of electron donor determines the product spectrum in thermophilic chain elongation
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中链羧酸（MCCA），如己酸（caproate），是通过微生物链延长生产的高附加值化学品，通常在嗜温条件下进行。在此，研究人员使用乳酸、葡萄糖、木糖、乳酸-葡萄糖混合物或葡萄糖-木糖混合物作为唯一底物，研究了连续链延长，以深入了解嗜热（55°C）条件下己酸生产
中链羧酸（MCCA），如己酸（caproate），是通过微生物链延长生产的高附加值化学品，通常在嗜温条件下进行。在此，研究人员使用乳酸、葡萄糖、木糖、乳酸-葡萄糖混合物或葡萄糖-木糖混合物作为唯一底物，研究了连续链延长，以深入了解嗜热（55°C）条件下己酸生产的机制。以乳酸为唯一底物时，丁酸（butyrate）浓度高达23.9 ± 3.9 g/L，选择性高（高达82.4 ± 5.3%mass），但未产生己酸。用葡萄糖部分替代乳酸使己酸生产成为可能，但生产不稳定，呈正弦波模式。含有木糖或葡萄糖-木糖混合物的进料产生了最高的己酸浓度（2.6 ± 0.1 g/L）和选择性（高达14.3 ± 1.5%mass），证实了糖类是嗜热条件下己酸生产的底物。在培养基中添加己酸抑制了己酸的生产，将产物谱转向乙酸（acetate）（9.5 ± 0.6 g/L）和乙醇（ethanol）（8.2 ± 1.2 g/L），并显著降低了微生物多样性。优势微生物属和产物谱是底物依赖性的：以糖类为基础的进料导致群落以Caproiciproducens和Thermoanaerobacterium为主，当使用葡萄糖时产物谱以丁酸为主，而当木糖为底物时乙酸是主要产物。以乳酸为底物时，Clostridium sensu stricto 7和Tepidimicrobium是主要群落成员，主要产生丁酸。研究人员的研究表明，嗜热链延长具有很强的底物依赖性，通过定制底物供应可以实现选择性丁酸或己酸生产。
随着循环经济的发展，将有机废弃物转化为高附加值化学品受到广泛关注，其中微生物链延长可生产中链羧酸（MCCA），如己酸（caproate），但该过程通常在中温条件下进行。嗜热条件（≥45°C）具有提高转化速率、产物选择性和收率的潜力，且能改善复杂底物水解并降低外来微生物污染风险，然而目前对嗜热链延长的机制理解不足，尤其是底物类型（如乳酸、糖类）对产物谱和微生物群落的影响尚不明确。现有研究多使用真实废弃物，难以分离底物特异性效应；同时，嗜热条件下己酸抑制效应亦未充分探讨。为此，研究人员在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表论文，旨在通过连续搅拌槽反应器（CSTR）在55°C下，系统比较乳酸、葡萄糖、木糖及其组合作为底物对己酸产生、产物谱、滴度和收率的影响，并揭示底物选择如何驱动微生物群落变化。研究得出重要结论：底物类型是产物谱的主要决定因素，乳酸仅驱动丁酸（butyrate）积累，而糖类（葡萄糖、木糖）是己酸产生的必需底物；外源己酸添加强烈抑制净己酸产生并转向乙醇（ethanol）和乙酸（acetate）；微生物群落结构呈底物依赖性。该研究为通过定制底物实现选择性丁酸或己酸生产提供了理论依据，推动了嗜热链延长的应用潜力。
研究人员开展研究主要采用以下关键技术方法：采用连续搅拌槽反应器（CSTR）在55°C、水力停留时间（HRT）4天条件下运行，使用合成培养基，通过调节pH（5.5–6.0）和底物组成（乳酸、葡萄糖、木糖及混合物）进行实验。产物分析采用气相色谱（GC-FID）测定羧酸，离子色谱（IC）测定乳酸和甲酸，高效液相色谱（HPLC）测定糖和乙醇；微生物群落分析通过16S rRNA基因扩增测序（Illumina MiSeq平台）进行，使用DADA2流程处理序列并分配分类。所有数据在R（v4.3.1）中分析，计算产物浓度、选择性和收率。
研究结果部分：
3.1 pH和底物负荷率显著影响嗜热条件下乳酸向产物的转化：通过对比pH 5.5和6.0，发现pH 5.5时乳酸转化受限，丁酸和己酸产量低；pH 6.0时乳酸完全消耗，丁酸浓度达11.8 ± 0.9 g/L，选择性81.5%，但无己酸产生。将乳酸浓度从20 g/L增至40 g/L，丁酸浓度升至23.9 ± 3.9 g/L，选择性82.4%，产物分布不变。微生物群落从pH 5.5时的Thermoanaerobacterium和Caproiciproducens为主，转变为pH 6.0时Clostridium sensu stricto 7（43.9%）占优势，且alpha多样性降低。
3.2 乳酸与葡萄糖比例对己酸产生的影响：用葡萄糖部分替代乳酸后，首次观察到净己酸产生，但呈不稳定正弦波模式。当25%乳酸替换为葡萄糖时，己酸最大浓度达2.2 g/L，但平均仅0.3 ± 0.3 g/L。随着葡萄糖比例增至50%和75%，己酸浓度稳定在0.7 ± 0.4 g/L和0.5 ± 0.2 g/L，但乙醇产量增加（2.3 ± 0.6 g/L）。当葡萄糖为唯一底物时，己酸稳定产生，浓度2.0 ± 0.2 g/L，选择性11.1%。微生物群落中，Caproiciproducens在葡萄糖存在时富集，在25%葡萄糖时占72%，但己酸产量仍低，表明该属可能主要产生丁酸而非己酸。
3.3 糖类型对产物谱的影响：将葡萄糖逐步替换为木糖，发现葡萄糖-木糖混合进料（50:50）时己酸浓度最高（2.6 ± 0.1 g/L），选择性12.4%。葡萄糖单独进料导致丁酸为主（9.8 ± 1.5 g/L），而木糖单独进料导致乙酸为主（9.5 ± 0.8 g/L），乙醇产量达2.7 ± 0.2 g/L。微生物群落中，Caproiciproducens和Thermoanaerobacterium在糖类条件下共占优势，木糖时Anaerocolumna丰度增加至21.7%。
3.4 外源己酸添加的影响：在进料中添加1.0 g/L己酸后，净己酸产量降至零，产物谱急剧转向乙酸（9.5 ± 0.6 g/L）和乙醇（8.2 ± 1.2 g/L），丁酸浓度降至2.4 ± 0.4 g/L。微生物多样性降至最低（Inverse Simpson指数2.02），Anaerocolumna成为优势属（69.1%），而Caproiciproducens和Thermoanaerobacterium丰度显著下降，表明己酸抑制了链延长菌群。
讨论部分总结：研究结果证实嗜热链延长具有强底物依赖性，糖类（葡萄糖、木糖）是己酸产生的必需底物，而乳酸仅驱动丁酸积累，与嗜温条件形成对比。Caproiciproducens在糖类条件下富集，但缺乏乳酸利用能力，而Clostridium sensu stricto 7在乳酸条件下主导丁酸生产。己酸抑制效应显著，可能通过破坏微生物互作和群落结构限制己酸终浓度。未来需探索糖代谢调控、微生物互作及抑制阈值机制。
翻译研究结论部分：本研究显示，底物选择是嗜热链延长（55°C）中产物形成的主要驱动因素。乳酸在pH 5.5时转化效率低，需要pH 6.0，表明在高温下仅喂乳酸时酸抑制可能更强。在pH 6.0时，乳酸转化为丁酸，浓度高达23.9 ± 3.9 g/L，但未产生己酸，表明优势己酸生产者优先利用糖类而非乳酸。用葡萄糖逐步替代乳酸使己酸生产成为可能，但生产不稳定，在50:50乳酸:葡萄糖时观察到最高滴度2.3 ± 0.6 g/L。仅喂糖类的阶段表现更稳健：葡萄糖和木糖单独及其混合物均支持己酸生产，木糖达到最高滴度（2.7 ± 0.2 g/L）和选择性（14.3 ± 1.5%mass）。进料中添加己酸强烈抑制净己酸生产，同时将产物谱转向乙醇（8.2 ± 1.2 g/L），并降低微生物多样性。这表明己酸抑制可能在塑造嗜热链延长中起重要作用，但需要额外研究确定抑制阈值并阐明潜在机制。核心微生物群落成员在糖类条件下为Caproiciproducens和Thermoanaerobacterium，在乳酸条件下为Clostridium sensu stricto 7和Tepidimicrobium。总之，嗜热链延长表现出很强的底物依赖性，可视为选择性产物形成的途径。
