澳大利亚悉尼科技大学倪丙杰团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“基于碳链延长定向转化有机废弃物生产中链羧酸的微生组学机制（Insights into the microbiomes for medium-chain carboxylic acids production from biowastes through chain elongation; 2022, 52(21): 3787-3812）”的特邀综述。
通过厌氧混合发酵将生物废物转化为中链羧酸（MCCA）在减轻化石燃料需求和提高生物废物处理能力方面正受到研究者的广泛关注。受益于MCCA的疏水性和高能量密度，这种高价值的生物燃料比传统的挥发性脂肪酸更容易分离。混合培养发酵高效生产MCCA的最大瓶颈是反应器中复杂的微生物相互作用。因此，本综述旨在为理解这些微生物组学并将其引导至可控微生物组提供指导。首先本文详细总结了碳链延长过程的代谢途径和相关的微生物合作-竞争过程，以了解混合培养发酵中的主要微生物相互作用。为了检查混合发酵反应器的整体性能，还确定了典型的微生物群落，并讨论了相关反应器参数对MCCA生产性能的影响。考虑到MCCA对微生物的毒性作用，原位提取MCCA是大规模生产必不可少的环节，因此进一步总结了原位提取的方法以指导连续生产MCCAs。最后，指出了混合培养发酵生产MCCA的未来研究方向，以期引导这种新的生物生产工艺的全面应用。
图1 图文摘要（Graphic abstract）
厌氧消化作为一种生物废物增值技术由于其低成本和高效率以展现出巨大的资源回收潜力。一般来说厌氧消化包括四个步骤：水解、产酸、产乙酸和产甲烷，并且各个过程都由相应的微生物所主导。尽管厌氧消化是一种从生物废物中回收能量的有吸引力的技术，但主要产品甲烷由于较低的热值被认为属于低价值商品。此外，其他主要产品如短链脂肪酸具有高亲水性，造成分离这些化合物相对困难。将短链脂肪酸进一步通过碳链延长过程（CE）转化为中链脂肪酸（MCCA）可以较好的解决这些问题。一方面较长的碳链赋予了MCCA较强的疏水性，从而比SCCA更容易从发酵液中分离。另一方面MCCA比传统甲烷产品具有更高的商业价值和能量密度。因此，MCCA可能是SCCA和甲烷这些传统厌氧消化产物的理想替代品。
图2 初级发酵以及链延长的相关竞争过程
一般来说碳链延长过程需要乙醇或者乳酸作为电子供体，以将SCCA进行碳链延长。但原始有机废物中乙醇或者乳酸的含量都不够高，所以往往需要额外添加这些化学物质，或者通过水解酸化以原位生产电子供体（图2）。图3展示了目前已探明的碳链延长途径，包括反向β-氧化（RBO）循环和脂肪酸生物合成途径（FAB）。
图3 微生物链延长过程
从有机废弃物中接种的混合培养物具有较高的微生物多样性和复杂的代谢特征。对于MCCA生产，水解和酸化过程为碳链延长过程提供各种碳源（例如乙酸和丙酸）和电子供体。与纯培养相比，这种串联工作模式拓宽了碳链延长剂在混合培养发酵中的资源利用范围。然而，一些生物过程同样可以竞争用于MCCA生产的乙醇或乙酸，这可能会降低碳链延长过程的生产效率。此外，氢气作为一种碳链延长的次生物也可以被各种功能菌消耗。而低氢气压力可以进一步触发脂肪酸的β氧化。因此，有必要了解微生物组之间的竞争和相互作用，以进一步提高MCCAs的生产效率。图1展示了混合培养发酵和相关微生物组中的竞争途径。MCCAs生产的竞争反应根据上述情况可分为三个方面：（1）底物竞争反应；（2）影响环境条件的反应；（3）消耗产生的中间体的反应。调整反应器参数是限制竞争反应以进一步提高MCCA产率的有效策略。尽管在存在产甲烷菌抑制剂的情况下在中性pH值范围内获得了最高的MCCA产率，但这种条件有利于底物与乙酸分解产甲烷菌的竞争。保持酸性条件（~5.4）是抑制产甲烷的成本较低的替代方法。中温发酵（30-45 °C）似乎是MCCA生产的首选，但还需要更多的理由。尽管低HRT/SRT可以加速淘汰产甲烷菌和有毒产物，从而提高MCCA产量，但提高HRT可以提高底物和产物谱的利用率。因此优化HRT的参数必须取决于具体的操作情况，特别是生物废物的类型。氢气分压也影响发酵反应器的性能。0.03 bar - 1.5 bar的H2分压被认为是实现高MCCA生产率的最佳范围。
图4 涉及MCCA原位提取的液液萃取以及电渗析原理图
原位提取分离技术是减轻MCCA产品累积毒性的有效方法。目前，已通过渗透、电渗析和离子交换从发酵液中成功回收MCCA（图4）。然而，某些技术对特定脂肪酸的选择性需要进一步提高，以降低分离物的纯化成本。此外，萃取设备的运行成本也是全面应用需要考虑的问题，例如萃取剂和电力的成本。寻找更便宜的萃取剂和开发新材料膜是后续研究的重点，以减少运营投资和提高产品选择性。
在这篇综述中，作者以微生物组为视角总结了利用有机废弃物通过混合培养发酵定向生产MCCAs的最新进展。在结合现有研究的基础上作者提出相关的知识空白并展望了未来亟需解决的科学问题。作者提出尽管混合培养发酵生产MCCA的效率和CE过程的代谢途径得到了较好的研究，但描述各种功能细菌之间相互作用的信息仍然很少。未来，更多的研究应该集中在抑制竞争反应和促进CE微生物组的生长上。此外，尽管已经分离鉴定了多种进行CE过程的纯菌株，但反应器中其他群落的一些特殊功能仍不清楚。了解有机物和电子如何在微生物种群之间传输需要立即关注，这有助于确定它们如何相互合作以及微生物行会如何竞争底物。总之，MCCA作为一种高值的化学品是微生物厌氧消化过程理想的发酵产品，但进一步的研究需要了解功能微生物之间的合作和竞争关系，这对提高MCCAs的产率具有重要意义。
时兴东，澳大利亚悉尼科技大学水和废水技术中心在读博士生。主要研究方向为有机废弃物的生物处理处置及其资源化。倪丙杰，博士生导师，目前是澳大利亚悉尼科技大学教授。研究方向主要集中于有机废弃物处理处置及其资源化，同时致力于高效低耗可持续废水处理技术及污染物转化过程的数学模拟和机理解析。已出版学术专著2部，撰写学术专著章节20余章，发表SCI论文300余篇。目前担任Sustainable Horizons，Journal of Cleaner Production和 Journal of
Environmental Management等期刊主编或副主编，同时担任Water Research期刊客座编辑和Environmental Science & Technology期刊顾问编委。魏薇，悉尼科技大学土木与环境工程学院讲师，博士生导师，澳大利亚ARC DECRA Fellow 获得者，主要致力于废弃物处理处置及资源化和环境毒理学等方面的研究工作。已在Environmental Science & Technology和Water Research等环境领域著名期刊上发表SCI论文140余篇， SCI论文他引次数超过3600次，h指数34（Scopus）。目前担任Environmental Research、Chemical Engineering Science、Energy Nexus和Frontiers in Microbiology等期刊（青年）编委。