《Bioresource Technology》：Fixed-bed biofilm reactor for single-stage bioconversion of organic waste to medium-chain carboxylic acids
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本研究采用单阶段固定床生物膜系统，将食品废水和污泥共发酵生产中链羧酸（MCCAs），在无外部pH调控和电子供体条件下，实现己酸产量达62±5 gC6/kgVSfed，显著高于对照组（43.4±2.1 gC6/kgVSfed），并证实Caproiciproducens和Pseudoramibacter的富集是关键因素。
托南齐·芭芭拉（Tonanzi Barbara）、马西米·亚历西奥（Massimi Alessio）、M·布拉古利亚·卡米拉（M.Braguglia Camilla）、迪皮波·弗朗切斯卡（Di Pippo Francesca）、加利波利·阿加塔（Gallipoli Agata）、贾尼科·安德烈亚（Gianico Andrea）、罗塞蒂·西蒙娜（Rossetti Simona）、克罗尼亚莱·西蒙娜（Crognale Simona）
意大利国家研究委员会（CNR-IRSA）水研究所，RM1研究领域，萨拉利亚路（Via Salaria）29.300公里处，蒙特罗通多（Monterotondo），00015罗马，意大利
摘要
基于生物膜的系统可以通过保留生长缓慢的微生物并增加生物量密度来提高中链羧酸（MCCAs）的产量。本研究探讨了一种新型的单阶段固定床生物膜系统，用于食物废弃物和污泥的共发酵。该系统在不依赖外部pH控制或外部电子供体添加的情况下，显著提高了稳定性和代谢效率，因为整个过程依赖于乳酸和乙醇的内源性生成。使用多孔烧结玻璃作为固体支撑材料，并保持1:1的支撑材料与接种物的比例，在整个为期70天的连续试验中，该系统达到了62 ± 5 gC6/kgVSfed的己酸产量，显著高于对照组（43.4 ± 2.1 gC6/kgVSfed）。分析谱型和测序确认了生物膜中专门用于链延长的微生物的选择性富集，主要是Caproiciproducens和Pseudoramibacter。这项研究证明了单阶段固定床生物膜反应器是一种将复杂有机废物转化为高价值化学品的可靠且高效的方法。
引言
全球人口的增长和消费率的提高导致了有机废物（包括食物废弃物FW和活性污泥WAS）产生的空前增加。这些废物传统上通过填埋或焚烧等处理方式进行处理，带来了重大的环境和经济挑战（De Groof等人，2021年）。然而，这些材料越来越多地被视为适合在循环经济框架内转化为高附加值生物化合物的能源密集型原料。
每年约有13亿吨食物被浪费，约占全球总产量的三分之一，造成了严重的环境和经济影响（Batool等人，2024年）。FW是一种高度可发酵的底物，富含碳水化合物、蛋白质和脂质（O’Connor等人，2022年；Tonanzi等人，2018年）。相比之下，WAS在好氧废水处理过程中大量产生。尽管由于其复杂的木质纤维素和微生物结构，WAS往往更难降解，但它却是营养物质和碱度的关键来源（Ferrentino等人，2023年；Tonanzi等人，2024年）。它们的共发酵特别有利，因为它可以平衡C/N比例并提供内在的缓冲能力，减轻单阶段发酵系统常见的抑制作用。
在各种回收途径中，微生物产生的MCCAs（如己酸（C6）和辛酸（C8）受到了广泛关注（De Groof等人，2021年）。这些酸可作为生物燃料（生物柴油）、润滑剂、生物塑料以及食品和制药工业中各种化学品的前体（Zhu等人，2015年）。从有机废物中生产MCCAs特别有吸引力，因为它避免了对化石基原料的依赖，从而有助于发展可持续的生物基经济。与短链脂肪酸（SCFAs）相比，MCCAs较低的水溶性简化了下游分离过程，降低了工业应用中的能源消耗和成本（Duber等人，2025年；Sravan等人，2026年）。
从包括FW和WAS在内的有机废物中合成MCCAs是一个复杂的过程，由反向β-氧化（RBO）途径控制（Arslan等人，2016年；Massimi等人，2024年）。该过程涉及将SCFAs（如乙酸和丁酸）延长为更长的分子。这一过程需要电子供体（EDs）如乙醇或乳酸的驱动。MCCAs的生产受多种因素影响，如pH值、温度、水力停留时间（HRT）和有机负荷率（OLR）、接种物类型以及反应器设计。这些参数会影响各种微生物的活性，每种微生物都有特定的代谢作用。主要挑战在于创造一个有利于这一途径而非其他代谢途径（例如甲烷生成）的受控和稳定的微生物环境（Arhin等人，2025年）。
最近的微生物学研究表明，这一过程依赖于不同功能群体之间的共生合作（Crognale等人，2023年；Myers等人，2023年）。初始阶段由发酵微生物驱动，它们迅速将碳水化合物转化为乳酸和乙醇等中间产物。这些微生物属于Atopobiaceae、Bifidobacteriaceae和Lactobacillaceae等家族，其生长速度类似于K-策略物种。同时，另一个主要由Acidaminococcaceae、Anaerovoracaceae、Clostridiaceae、Eubacteriaceae和Megasphaeraceae等家族成员组成的微生物群体通过利用乳酸或乙醇作为EDs，在链延长（CE）过程中起催化作用。最后，第三类微生物包括Acutalibacteraceae和Lachnospiraceae家族的成员，它们可以直接将糖类延长为MCCAs。通常，能够产生MCCAs的微生物生长速度较慢，具有K-策略物种的特征。生长缓慢的MCCAs产生细菌的流失以及难以保持生物量可能会限制系统的整体效率和生产力。为了克服这一限制，使用基于生物膜的系统（其中微生物附着在固体支撑材料上）可以提供几个关键优势（Demirci等人，2007年；Philipp等人，2024年）。具有高比表面积的填充材料可以促进细胞附着，从而增强系统内的微生物保留，提高细胞密度并增强对环境压力的抵抗力（Jang等人，2024年）。K-策略微生物的生长得到促进，因为它们形成生物膜的能力使它们能够在系统中停留更长时间，从而防止流失（Zhao等人，2023年）。由于产生MCCAs的微生物主要是K-策略物种，使用基于生物膜的系统可以显著提高MCCAs的产量（Ren等人，2024年）。此外，基于生物膜的系统减少了悬浮生长反应器通常所需的能源密集型分离步骤，进一步提高了整体过程效率并促进了产品回收。因此，采用基于生物膜的方法有望显著提高MCCAs的产量。
填充床厌氧系统已成功应用于各种生物技术应用。例如，使用Kaldnes K1材料填充的连续进料生物反应器系统已经成功地利用乙醇和乙酸合成辛酸（Kucek等人，2016年）。然而，目前还没有文献记录将固定床生物膜技术、单阶段过程、混合微生物群落和实际有机废物结合起来直接针对MCCAs的生产。本研究旨在填补这一关键空白。
本研究的主要目的是首次证明固定床生物膜反应器用于FW和WAS的共发酵以生产MCCAs的可行性和性能，且无需添加化学物质。除了过程性能外，该研究还关注系统的微生物生态学基础，分析了悬浮生物量和生物膜，以确定驱动链延长的关键微生物。
具体来说，本研究的目标是：
(i) 评估半连续操作条件下反应器的性能，特别是MCCAs的产量；
(ii) 评估生物膜形成对过程稳定性和生物量保留的作用；
(iii) 阐明负责MCCAs生产的微生物群落的组成、结构和功能作用。
通过结合实验室规模的过程优化和详细的微生物分析，本研究旨在为从复杂有机废物中生产MCCAs的基于生物膜系统的操作提供实用和基础性的见解。
部分摘录
接种物和原料分析
所有测试中的接种物均来自一个专为WAS和FW的半试点规模共发酵设计的嗜温生物反应器，用于产酸发酵和链延长。FW是从意大利国家研究委员会（CNR）“Roma 1”研究园区的食堂和厨房收集的，尽管收集程序遵循了之前在（Tonanzi等人，2018年）中描述的标准化协议，而WAS则是从Roma现场新鲜采集的
结果与讨论
尽管两阶段系统或合成底物方面取得了进展，但固定床生物膜反应器在FW和WAS共发酵方面的潜力仍未得到充分探索。本研究评估了固体支撑材料对生物膜形成和微生物群落建立、过程稳定性以及产品分布的影响，为无需外部pH控制和EDs添加的可持续MCCAs生产提供了新的见解。
结论
本研究证明，单阶段固定床生物膜反应器在无需外部pH控制或EDs补充的情况下，使用FW和WAS的共发酵混合物显著提高了CE过程的稳定性、代谢效率和产物产量。来自CAs分析和微生物分析的综合证据表明，固体支撑材料促进了代谢活跃的生物膜的形成，稳定了反应器性能，并实现了MCCAs的受控积累
未引用参考文献
Chen等人，2017年；Zhao等人，2025b年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
不适用。
