通过菌种筛选与工艺调控引导乳酸驱动链延长定向生成己酸盐

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Steering lactate-driven chain elongation toward caproate through inoculum selection and process regulation

　　

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  PMML在乳酸向己酸转化率上优于厌氧颗粒污泥（AGS）和窖池窖泥。
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  经优化的PMML菌群产生了6.2?g/L的净己酸，选择性达66.3%。
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  乳酸与丁酸的比值为3:1时，己酸产量和选择性最大化。
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  在富集和优化阶段，丙酸的分流途径被有效抑制。
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  Caproiciproducens属和Clostridium sensu stricto 12菌属在该菌群中占主导地位。

引言

中链脂肪酸（MCFAs），尤其是己酸，是羧酸盐平台中最具吸引力的产品之一，这得益于其作为风味化合物、饲料添加剂、抗菌剂前体和生物燃料中间体等方面的广泛应用[1], [2]。通过碳链延长（CCE）途径的生物法己酸生产——最早由Clostridium kluyverii将乙酸和乙醇转化为己酸的过程所证实——作为一种可持续的替代方案，引起了越来越多的关注，可为传统化学合成提供替代途径[3], [4]。通过将短链发酵衍生产物升级为更具价值的中链羧酸盐，CCE已成为从有机废弃物中生产己酸的一条有前景的途径，从而将废弃物资源化与可再生化学品制造联系起来[5], [6]。

乙醇和乳酸是CCE研究最为广泛的两种电子供体[3], [7], [8]。乙醇驱动的链延长已被广泛研究；然而，从工艺经济性和环境可持续性的角度来看，外源添加乙醇并非总是理想的[9], [10]。在乳酸驱动的CCE中，乳酸既充当主要有机底物，又充当电子供体。乳酸通常天然存在于废物流中，或可从食品废弃物中就地生产[11], [12], [13]，这使其成为己酸生产的理想底物和电子供体。因此，乳酸驱动的链延长因其与废弃物衍生发酵系统的兼容性以及潜在的更低底物成本而日益受到关注[10], [14], [15]。然而，高效的乳酸向己酸转化仍具有挑战性，因为乳酸的代谢途径多样，容易发生途径分流。一方面，乳酸可以为乙酸和丁酸向己酸延长提供还原当量；另一方面，乳酸也可通过丙烯酸途径转化为丙酸，从而将碳和还原当量从己酸形成途径中分流出去[16], [17]。丙酸还可被进一步延长为戊酸，形成竞争的C₃/C₅产物路线，从而降低己酸选择性[18]。因此，引导乳酸代谢远离与丙酸相关的分流途径、转向丁酸介导的己酸合成，是乳酸驱动链延长中的关键挑战。

接种物来源决定了混合培养发酵系统的初始微生物群落和功能组成，因此可能影响其后续对操作选择的响应。目前已鉴定出多种利用乳酸和产生己酸的微生物，包括Ruminococcaceae科、Caproiciproducens属、Bacillus属和属[19], [20], [21]。例如，从厌氧颗粒污泥（AGS）中分离的Clostridium sp. BS-1和从浓香型白酒窖泥（PM）中分离的Rummeliibacillus suwonensis 3B-1均被报道可利用乳酸生产己酸[22], [23]。这些发现表明，AGS和PM等工程化厌氧污泥以及白酒发酵相关的微生物群落中，可能蕴藏着与乳酸驱动链延长相关的种群。窖泥维护液（PMML）是用于窖泥维护和发酵活性恢复的液态制剂，代表了另一种白酒发酵相关的微生物来源。因此，本研究选取AGS、PM和PMML作为三种不同的候选接种物进行对比。然而，这些功能性类群或菌株的存在并不一定能保证选择性己酸生产，因为最终的代谢结果是由初始群落和培养过程中施加的选择压力共同决定的。因此，接种物筛选可以提供有利的起始群落，但仍需适当的操作条件来选择性富集所需功能，并将乳酸代谢引导向己酸生产方向。

因此，操作调控对于将接种物的功能潜力转化为高效且选择性的己酸生产至关重要。在许多乳酸基发酵系统中，己酸收率较低可能是由于乳酸衍生的碳和还原当量被竞争产物分流所致，而非乳酸供应不足。pH值、乳酸负载量和底物组成等操作参数会强烈影响乳酸转化效率、产物选择性以及己酸形成与丙酸或戊酸相关途径之间的竞争关系[24], [25], [26]。特别是，当与充足的乳酸衍生还原力平衡时，丁酸可以作为己酸形成的直接C₄前体。先前的研究已证实了接种物来源对乳酸基己酸生产的影响[27]，以及乳酸/丁酸比值、底物浓度和操作模式的重要性[28]。然而，这些因素通常被单独研究，而接种物筛选如何与菌群富集及后续过程调控形成连续关联仍较少被探索。因此，将接种物选择、选择性富集和过程优化相结合，可能为将乳酸转化引导向己酸而非竞争产物提供一条更为系统的途径。

基于上述考虑，本研究系统比较了AGS、PM和PMML作为乳酸驱动己酸生产的三种候选接种物来源。分析了其微生物群落结构、乳酸转化模式和基于COD的产物分布，以鉴定出有利于己酸导向代谢的接种物。随后，将选定的接种物用于菌群富集和批式工艺优化。我们假设，通过连续的接种物选择、菌群富集和底物调控，可以改善己酸导向的产物分布，表现为己酸选择性提高和丙酸形成减少。本研究提供了一种提高乳酸驱动己酸生产的系统策略，并为如何引导混合微生物菌群向选择性C₆羧酸盐积累方向调控提供了见解。

章节摘要

接种物来源与合成乳酸培养基

本研究使用了三种接种物来源：AGS、PM和PMML。AGS购自山东省济南市的绿星环保科技有限公司。PM采自山东省济宁市的一家生物发酵引子厂。PMML是浓香型白酒发酵工业中用于窖泥维护和发酵活性恢复的商业液态制剂，购自山东省中慧生物科技有限公司。所有接种物均保存在-20°C条件下，

不同接种物来源的微生物群落结构

三种接种物来源（AGS、PM和PMML）表现出不同的微生物群落结构（图1），表明其在介导乳酸驱动发酵方面的潜力存在显著差异。韦恩图显示，AGS、PM和PMML分别含有456、135和384个OTU，而三种接种物之间仅有5个OTU为共有（图1a）。这种有限的重叠表明，三种接种物代表了显著不同的细菌群落，而非同一

结论

本研究证明了一种通过接种物选择、UASB富集和以合成乳酸培养基为模型底物的底物调控相结合的协同策略来提高乳酸驱动己酸生产的可行性。在三种接种物中，PMML表现出最为有利的乳酸转化模式，具有更高的己酸产量、以丁酸积累为主且丙酸形成有限的特点。经UASB富集后，随后的批式优化确定了一个乳酸：

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CRediT作者贡献声明

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利益冲突声明

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致谢

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