《Journal of Environmental Chemical Engineering》：In-line extraction coupled with selective ion-exchange resin enhances lactate-driven caproate biosynthesis: Alleviating undissociated caproate stress and stabilizing microbial functional cooperation
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摘要虽然耦合在线萃取系统能够有效地缓解产物抑制，但其对乳酸驱动己酸生物合成的影响在很大程度上仍未被探索。本研究将配备选择性离子交换树脂的在线萃取系统整合到受产物抑制的己酸生物合成反应器中。未解离己酸浓度降至2.11?mM，而对照组为8.61–12.44?mM。未解离己酸胁迫的
摘要
虽然耦合在线萃取系统能够有效地缓解产物抑制，但其对乳酸驱动己酸生物合成的影响在很大程度上仍未被探索。本研究将配备选择性离子交换树脂的在线萃取系统整合到受产物抑制的己酸生物合成反应器中。未解离己酸浓度降至2.11?mM，而对照组为8.61–12.44?mM。未解离己酸胁迫的降低使己酸生产在19天内保持稳定，选择性从45.47%提高到75.66%，生产率达到4.33?mmol·L-1·d-1，相比对照组选择性提高了4.59%–224.11%，生产率最高提高了6.23倍。在线萃取系统的引入使得链延长菌和乳酸氧化菌得到富集，而对照组则以耐胁迫菌为主。参与乳酸氧化和乙酰辅酶A形成的基因丰度增加，支持底物高效转化为链延长途径。通过早期基因富集和后续微生物协作稳定，反β-氧化和脂肪酸生物合成途径的活性得以维持。重要的是，乳酸氧化和己酸合成在核心类群周围实现了功能集中，特别是Caproicibacterium lactatifermentans和Sphaerochaeta属，从而维持了高效的己酸生产。这些发现为在线萃取如何缓解产物抑制并强化微生物协作提供了新的机制见解，为提高乳酸富集有机废物转化为己酸的利用提供了战略指导。
引言
己酸是一种高价值平台化学品，在可再生生物燃料生产中具有广泛的应用[1], [2]。与甲烷和短链脂肪酸（SCFAs）相比，它提供了更高的能量密度和更有利的分离特性[3], [4]。微生物链延长（CE）以乳酸为电子供体，通过反β-氧化（RBO）和脂肪酸生物合成（FAB）途径将乙酸和丁酸转化为己酸[5], [6]。除了纯乳酸外，富含乳酸的有机废物流可以通过CE实现资源化以生产己酸[7], [8]。例如，39.77%的己酸是从果蔬废物的酸化发酵液中产生的[7]。与传统的化学合成工艺相比，这种生物技术路线更加可持续，有助于碳基天然废物资源化利用和减排[9]。
然而，乳酸驱动的己酸生物合成面临两个关键挑战。首先，丙烯醛途径和Wood-Werkman循环的竞争将乳酸导向丙酸和戊酸等奇数碳羧酸盐，特别是在高乳酸负荷下[3], [10], [11]。当乳酸补充量超过7.69?g COD/L时，约三分之一的电子（33.39%）被分流至奇数碳羧酸盐，而非己酸（23.13%）[12]。我们之前的工作进一步证实了这一趋势，表明增加乳酸负荷会降低己酸选择性和电子效率，同时促进奇数碳羧酸盐的形成[7]。一旦丙烯醛途径被激活，则难以逆转，导致乳酸积累并抑制己酸生物合成[12]。其次，未解离羧酸对CE微生物具有很强的毒性[10], [13]。在pH 5.7时，即使己酸浓度低至3.3?mM也会抑制微生物活性，而6.9?mM则严重抑制己酸生产[14], [15], [16]。因此，开发同时促进乳酸向己酸转化并缓解产物抑制的策略，对于提高富含乳酸的有机废物中己酸的合成效率至关重要。
将己酸生物合成与在线产物萃取耦合已成为克服这些局限的有效方法[17], [18]。该系统可能通过移除产物积累和减少未解离己酸来支持乳酸向己酸的转化[19], [20], [21]。例如，当pH从5.5降至5.2时，中链羧酸（MCCA）生产率因己酸积累而从18.7急剧下降至1.9?mmol?C/L-d。然而，与在线膜萃取耦合后，MCCA生产率恢复并达到17.0?mmol?C/L-d[21]。在在线萃取技术中，膜电解与溶剂萃取耦合[18], [20]和离子交换树脂萃取[22]是研究最多的。然而，在线萃取调节己酸生物合成的机制在很大程度上仍未被探索。特别是，该过程如何通过调节关键代谢基因的表达和CE微生物群的功能协作来影响己酸生产，尚未阐明。
本研究探讨了在线萃取对乳酸驱动己酸生产的调节作用。选择性离子交换树脂被用作吸附材料，因其对中链羧酸具有增强的亲和力，并且避免了高能耗和溶剂需求[22], [23]。与以往主要关注工艺优化的研究不同，本研究阐明了在线选择性萃取增强己酸合成背后的微生物协作机制。具体目标为：(i) 评估己酸生物合成对产物积累的响应性能；(ii) 研究耦合在线萃取系统如何影响己酸生物合成性能；(iii) 表征微生物群落结构的变化并鉴定关键功能类群；(iv) 阐明CE中涉及的基因水平响应和微生物功能相互作用。本研究旨在为在线萃取如何调节乳酸向己酸的转化提供机制见解，从而为乳酸富集有机废物的资源化利用提供战略指导。
各章节摘要
接种物和化学品
本研究使用的接种物来自奶牛场奶牛粪便处理系统。采集的样品通过2?mm不锈钢筛网过滤以去除大颗粒。含有微生物的液体部分被转移到一个配备双层涡轮叶轮（80?rpm，35 ± 1 oC）的连续搅拌釜反应器中。反应器中充满含有微晶纤维素（20?g/L）和胰蛋白胨（10?g/L）的混合培养基，并在
产物积累对己酸生产的抑制效应
通过施加高乳酸负荷，在一个30天的运行期内建立了一个己酸积累系统。在第I阶段（0–8天），牛粪接种物在6天的水力停留时间（HRT）下被供给75.0?mM乳酸和12.5?mM丁酸。如图2a所示，乳酸在6天内被完全消耗，丁酸从38.99降至33.80?mM。这一变化与其他羧酸盐的形成相吻合。乙酸略有增加（从32.72增至34.47?mM），而
结论
本研究证明，选择性在线产物萃取有效地缓解了产物抑制并增强了乳酸驱动的己酸生物合成。并通过将基于离子交换树脂的萃取系统耦合到受抑制的反应器中，未解离己酸浓度显著降至2.11?mM，而对照组为8.61–12.44?mM。较低的产物胁迫使得己酸生产在19天内保持稳定并持续改善。己酸选择性从
CRediT作者贡献声明
Feng Zhen：验证，形式分析。Shuai Chen：验证，方法学，形式分析。Zhi Wang：方法学，调查，形式分析。Meihui Zhuo：写作–初稿，可视化，方法学，调查，概念化。Tao Xing：写作–审阅与编辑，监督，项目管理，概念化。Yongming Sun：写作–审阅与编辑，监督。Xiaoying Kong：验证，调查。Lianhua Li：验证，调查。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报道的工作。
致谢
本研究由中国国家重点研发计划（2022YFD2002102）和中国博士后科学基金（2024M763281）提供资金支持。
Meihui Zhuo|Zhi Wang|Shuai Chen|Feng Zhen|Lianhua Li|Xiaoying Kong|Yongming Sun|Tao Xing
中国科学院广州能源研究所，广州 510640，中国
