用于将木薯渣高效转化为C6羧酸的自给自足发酵模式：调控机制与新微生物的鉴定

《Bioresource Technology》：Self-sufficient fermentation paradigm for cassava stillage valorization into C6 carboxylic acids: regulatory mechanisms and novel microbe identification

木薯废液（CS）通过两阶段发酵实现自给式生物技术应用，调控pH至6时以2:1的乳酸/丁酸比例促进链延伸微生物Clostridium sp. BUCT163合成中链羧酸（如丙酸），结合宏基因组与基因组学解析微生物代谢机制。

　　

赵超|纪梦圆|吴婉玲|史瑶伟|劳拉·特鲁|王文|斯特凡诺·坎帕纳罗

中国海南省海口市海南大学环境科学与工程学院农业林业环境过程与生态调控重点实验室，570228

摘要

木薯渣（CS）是生物乙醇生产过程中产生的富含碳水化合物的副产品，作为一种可再生资源具有巨大的未开发潜力。对这种问题废水的升级利用有望解决环境挑战，并满足对可持续生物化学品的需求。本研究提出了一种自给自足的生物技术方法，通过将乳酸/丁酸类型的发酵与微生物链延长（CE）相结合，直接将木薯渣转化为中链羧酸（MCCAs，例如己酸）。在木薯渣的降解过程中，乳酸和丁酸被调控为主要产物，其最佳比例为2：1；随后在最佳pH值为6的条件下进一步延长链长生成己酸。pH值在控制两个发酵阶段的产品分布和塑造微生物群方面起着关键作用。同时，发现链延长的响应性也依赖于操作pH值。宏基因组分析鉴定出Clostridium sp. BUCT163是一种可能的由乳酸驱动的链延长微生物。通过Clostridium sp. BUCT163与Clostridium kluyveri物种的全基因组比较，发现编码乳酸转化的基因在C. kluyveri群体中并不普遍存在。结合宏基因组分箱和比较基因组分析，Clostridium sp. BUCT163被确定为一种新型的潜在乳酸/乙醇驱动的链延长微生物，这为将细菌身份与链延长微生物联系起来提供了宝贵的数据集。这些发现为从木薯渣中回收资源的自给自足厌氧发酵过程以及链延长系统的微生物管理奠定了基础。

引言

从废水中回收资源对于维持健康的生态系统至关重要。木薯渣（CS）是酒精蒸馏后产生的富含碳水化合物的废水，其化学需氧量极高（Lu, 2019）。每生产一吨基于木薯的生物乙醇，大约会产生6-8吨木薯渣（Nguyen et al., 2007），如果未经处理直接排放，将对环境造成重大负担；然而，它具有明显的厌氧利用潜力（Deng et al., 2024）。尽管已经证明可以从木薯渣中生产沼气（Nizzy and Kannan, 2022, Gupta and Khatiwada, 2024），但其低收益和基础设施需求凸显了寻找更高价值替代品的必要性。为了提高有机碳的回收率并丰富废物流中的增值产物，人们正在开发新的生物工艺。用于生产中链羧酸（MCCAs，C6-C12）的微生物链延长就是其中之一（Wang, 2025）。

与沼气和短链羧酸（SCCAs，C2-C5）相比，MCCAs具有更低的O/C比、更高的能量密度以及更高的疏水性，因此被认为是高利润的厌氧产物（Zheng, 2022, Liu, 2022）。链延长的关键代谢前提是电子供体（EDs，例如乙醇或乳酸）和电子受体（EAs，例如SCCAs）的参与；而通常需要外源补充电子供体乙醇，这带来了环境和经济上的限制（Wang, 2023）。因此，从低成本有机废水中产生的电子供体成为回收增值生物产物的理想途径（Zhang et al., 2023, Wu, 2024）。木薯渣的降解主要产生乳酸和丁酸（Haris, 2025, Wang, 2013），它们可以分别作为链延长的自给自足的电子供体和电子受体。然而，以往关于木薯渣的研究大多停留在酸生成阶段，其后续向MCCAs的链延长潜力尚未得到系统探索。相比之下，微生物链延长已应用于其他有机底物，如食物废弃物，其中乳酸/醋酸的生成与链延长相结合（Chen, 2025, Contreras-Dávila, 2020, Xu, 2018）。然而，这些系统的MCCAs产量和产品选择性通常较低，主要是由于电子供体不足以及酸生成和链延长之间的代谢耦合不足。相比之下，木薯渣的酸化过程本质上会产生乳酸和丁酸作为主要代谢产物。我们之前的研究表明，丁酸作为电子受体比醋酸更有优势，因为其转化为己酸只需一个转化步骤，并且具有更高的最大底物摄取率（Liu, 2020）。这一内在的代谢优势凸显了木薯渣在高效生产MCCAs方面的巨大潜力。因此，本研究提出了一种自给自足的生物技术方法，通过将乳酸/丁酸类型的发酵与微生物链延长相结合，直接将木薯渣转化为MCCAs。此外，通过协调操作条件的调控，实现了电子受体和电子供体的平衡供应，旨在稳定酸生成-链延长耦合并提高己酸的选择性和整体工艺效率。

乳酸作为一种潜在的电子供体，可以通过不同的竞争性二次发酵途径转化为丙酸，从而改变偶数链和奇数链MCCAs的分布（Xu, 2018, Duber, 2022, Kucek et al., 2016）。过量的电子供体可能会通过释放更多自由能来促进MCCAs的产生。相反，Kucek（Kucek et al., 2016）的研究表明，降低乳酸的流入浓度可以有效减少丙酸的产生并提高向己酸的电子转移效率。因此，乳酸/丁酸（ED/EA）的比例是一个影响代谢过程热力学和动力学的关键参数，但以往的研究大多依赖于人工设定的比例，而非木薯渣降解过程中自然产生的比例（Wu, 2018, Wang and Yin, 2022）。其他操作条件中，pH值是塑造微生物群的关键参数，不同的竞争性途径对pH值有不同的适应性（Wang, 2025, Candry, 2020）。对于乳酸驱动的过程，Propionibacterium物种在pH 6.5–7时更倾向于产生丙酸（Luo, 2017）。另一方面，如Ruminococcaceae细菌 CPB6这样的乳酸驱动的链延长微生物则偏好酸性pH值（5.5–6.5）（Liu, 2023）。此外，几乎所有分离出的链延长微生物都能在碱性条件（pH 9.0–9.5）下存活（Wang and Yin, 2022, Gu, 2021）。因此，进一步研究从酸性到碱性条件范围内的pH值如何影响乳酸驱动的发酵过程及其对微生物群结构的影响至关重要。

此外，不同微生物之间的相互作用及其生长条件仍不清楚。在这种情况下，假设底物比例和pH值主要决定了CE反应器微生物群的组成，而从测量过程参数的相关性中推断出的微生物类群模式对于理解它们在CE功能中的作用至关重要。随后，通过对宏基因组组装的基因组（MAGs）进行功能注释，研究了这些生物指示物的遗传潜力，以了解功能微生物及其在群落结构中的相互作用机制，而无需依赖培养依赖的技术。

本研究提出了一种自给自足的生物技术方法，通过将乳酸/丁酸类型的发酵与微生物链延长相结合，直接将木薯渣转化为己酸。在这种方法中，通过控制操作条件（如pH值）来调节这两个过程，以实现平衡并防止碳流的分散。此外，基于实验现象和关键的鉴别性微生物类群，广泛讨论了链延长微生物与竞争性产物产生微生物之间的可能竞争和代谢途径。最后，结合基因组中心的宏基因组学和比较基因组分析，鉴定出负责乳酸驱动的CE的微生物，并重建了相关的代谢途径。

部分摘录

接种物和原料

用于木薯渣（CS）的降解和SCCA的生成，样品来自中国江苏太仓的一家木薯乙醇工厂，在使用前储存在-20°C。木薯渣的主要特性如下：总固体（TS）95±1.6 g/L，挥发性固体（VS）71±0.9 g/L，pH值4.1±0.02，总化学需氧量（TCOD）77.8±1.5 g/L，可溶性化学需氧量（SCOD）44.8±0.2 g/L，乳酸0.4±0.02 g/L，乙醇0.2±0.01 g/L，SCCA 0.94±0.05 g/L。木薯渣的发酵使用了

木薯渣降解产生的主要产物是乳酸和丁酸

在保持恒定pH值4–10的半连续生物反应器系统中，通过pH值5–7的热嗜好性发酵，木薯渣的最大SCCA产率为364 mM C/d（P > 0.05，反应器S5-S7，图1A）。这一最大产率持续了20天（图1A和B），并且在本研究中连续生产SCCA超过42天，其浓度比其他反应器高出7%～40%。乳酸和丁酸是主要产物

结论

本研究建立了一种自给自足的厌氧发酵方法，通过两阶段发酵调控结合木薯渣的降解和链延长来生产MCCAs。微酸性至中性的pH值有利于木薯渣的升级利用以及乳酸和丁酸的同时产生。值得注意的是，ED/EA比例为2且pH值为6时，链延长过程中向己酸的碳流最大化。进一步探索操作pH值的变化表明，链延长的响应性

CRediT作者贡献声明

赵超：撰写——初稿，研究。纪梦圆：撰写——初稿，研究。吴婉玲：研究。史瑶伟：研究。劳拉·特鲁：撰写——审稿与编辑。王文：撰写——审稿与编辑，方法学，资金获取，概念化。斯特凡诺·坎帕纳罗：撰写——审稿与编辑，概念化。

利益冲突声明

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